完成电源模块的设计后,需要如何测量?

IoT 11个月前 admin
443 0 0
点击下方名片,关注公众号

完成电源模块的设计后,需要如何测量呢


随着电源技术的发展,电源模块是开关电源的发展趋势。在电源模块设计中,设计是整体的核心,而测量则是一把标尺。当一切工作就绪之后,并不意味着结束,电源模块性能的优劣是值得关注的问题。

实际工作中,在结束了颇为关键的电源模块设计后,你会做多少测试内容?以下分享我在工作中,实际进行的几项关键参数的测试和分析流程,供大家参考。


1.概述


降压型电源芯片是电子产品设计中并不可少的核心元件,由电源芯片组成的电源模块提供电子产品使用的各种电源。对于车载产品,汽车蓄电池的电压会在9V-16V之间变化,在这种情况下,电源模块需要适应蓄电池电压和负载在变化的工况,如何对电源进行测试就显得很重要的,很多公司的电子产品关于电源模块的测试,就是对着Datasheet给的参考电路和layout示例,简单测试下输出电压的纹波,电源效率就结束了。认为电源模式的所有参数Datasheet都已经标示了,也没什么可测,也改变不了什么参数的。实际BUCK电路有很多参数需要测试的,下图是TI的一款BUCK电源芯片LM60440,满足AECQ-100的车载要求。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


在LM60440的Datasheet中,提供了效率曲线图,启动时序图,负载瞬态响应图,纹波电压图以及EMC测试图等等参数,这些测试数据都是基于LM60440的EVM板测试得到的,是在工况比较好的情况测试的。对于实际的电子产品要根据具体的客户要求和系统要求去测试。我们开发的一款产品中就用到了LM60440,降压得到3V3的输出电压。完成原理图设计后,打快板拿到Demo样品后,主要从以下七个方面的维度完成对电源模块的测试:


1.输入电压性能测试,包括冷机启动测试,使能电压阈值测试;


2.输出电压性能测试,包括输出电压纹波测试,负载瞬态变化测试,环路稳定性测试;


3.时序测试:开机时序,关机时序;


4.保护功能测试:过压保护,过流保护,短路保护,过温保护;


5.效率测试;


6.PWM开关频率测试;


7.关键元件耐压测试,主要包括MOSFET,DIODE,电感,输入电容,输出电压;

完成以上七个方面的测试,可以基本反映出电源模块的性能优劣。下面将测试中的七个方面的实测数据和Datasheet中的数据做一个对比分析,供大家讨论,看看其他坛友在电源设计中有多少测试内容。


2.测试实例的分析


2.1 输入电压性能测试


2.1.1 冷机启动测试


冷机启动测试一般称为cold-trank测试,这是由于发动机启动的时候,需要蓄电池大电流工作,从而造成蓄电池电压快速跌落。关于这类的工况的有相应的测试规范,比如ISO 7637-2 (test pulse 4),如下图。在cold-trank的测试过程中,即使蓄电池电压跌落,车载的电子产品,比如导航、娱乐、仪表盘等设备依然需要保持安全可靠的功能,这就对电源模块提出了更高的要求。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


在我们的产品中根据客户要求,使用的是如下的测试规范,相对更加严苛一些。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


关于这一项测试,在LM60440的Datasheet中没有体现出来。在我们的产品测试中,是符合测试要求的。在输入电压跌落过后,输出电压也跌落,但在一定时间(小于10ms)可以重新输出,符合系统需求的定义。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.1.2 使能阈值测试


LM60440的使能(EN-Pin)控制芯片的启动和关断,该pin的输入电压是有精确阈值控制,通过外部其他电源电压控制(一般是选用3.3V的LDO控制)。在实际产品测试中得到了和Datasheet中一致的阈值电压。


完成电源模块的设计后,需要如何测量? 

完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.2.输出电压性能


2.2.1 输出电压纹波测试


电压纹波(ripple voltage)基本都会测试,空载轻载重载情况下测试到的数据都不一样。电感输出电容选型不一样,也会造成电压纹波的测试数据的不同。如何降低电压纹波就不在这里展开,很多资料都有介绍。这里主要讨论电源模块设计完成后,如何进行测试。输出电流3A的情况下,测试的纹波电压有38mV,比Datasheet中的参数60mV要小。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?

 完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.2.2 负载瞬态变化测试


在负载突然跌落和加载的时候,会造成输出电压过冲和跌落的现象。在实际测试中对于这种测试的时候,输出电压过冲和跌落幅度有要求,是不能超过5%*Vout。输出电流是在0.28A到2.8A的变化,过冲和跌落电压是85mV和115[size=14.6667px]mV,都是小于3.3*0.05=165[size=14.6667px]mV。在空载轻载的时候,输出电压纹波会小一些。


完成电源模块的设计后,需要如何测量? 


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.2.3 环路稳定性测试


电源系统一般是负反馈,环路没有设计后,输出电压会出现波动,在工程设计中,要求相位余量大于65度,增益余量大于10dB,在负载电流是2.8A的情况下,使用Bode100对电源系统的环路进行测试,得到相位余量是82度,增益余量15dB。环路系统是稳定的。关于这个测试项目,在Datasheet中没体现,实际产品是很有必要测试的。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


很多芯片是专门的环路补偿comp-pin,用于在环路不稳定的时候进行补偿。LM60440没有环路补偿pin,如果环路不稳定的时候,可以在反馈回路增加补偿网络。如上图原理图中的Cff,也可再串联电阻。根据具体电路进行调整


2.3 开关机时序


2.3.1 开机时序


在电源产品中,开机时序是要严格和Datasheet中对应的,但是可以调整软启动的时间,从而满足不同项目的需求。测试得到的数据和Datasheet保持了一致。

完成电源模块的设计后,需要如何测量?


 完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.3.2 关机时序


关机时序相对开机时序没有那么严苛,所以在Datasheet中没有测试,但是我们实际的产品完成了测试,然后和LM60440提供的EVM的关机时序做了对比,是一致的。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.4 保护功能测试


2.4.1 过压保护测试(OVP)


对于电源芯片是不能过电压使用的,超过电源芯片的最大输入电压,会导致芯片过压损坏的。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


有的电源芯片是有OVP阈值电压,最大绝对值电压(该电压即为芯片的过压损坏值),LM60440是没有OVP阈值电压,之前用到的另一款电源芯片有的,当输入电压超过OVP阈值,输出电压就降低为0,同时诊断pin的标志位翻转。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.4.2 过流保护测试(OCP)


利用电子负载施加超过电源芯片的最大输出电流,会产生OCP,保证输出电流和输出电压在正常的工作范围;


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.4.3 短路保护测试


利用测试治具,将输出短路。电源芯片检测到瞬间过电流,会关闭输出。保证电源模块的正常工作。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.5 效率测试


电源模块会产生各种损耗,比如MOSFET开关损耗,导通损耗,电感直流损耗,交流损耗等等。从而造成输出效率的变化。因此客户会要求最低的效率比。LM60440在不同输入电压情况下,重载的时候基本都可以达到90%以上的效率。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


在实测的时候,效率会比Datasheet的要低一些。输出电流增大的情况下,效率会更高的


Vin

Iin

Vout

Iout

Efficiency

7

0.37

3.3

0.7

0.891891892

8

0.32

3.3

0.7

0.90234375

9

0.29

3.3

0.7

0.885057471

10

0.26

3.3

0.7

0.888461538

11

0.24

3.3

0.7

0.875

12

0.22

3.3

0.7

0.875

13

0.2

3.3

0.7

0.888461538

14

0.19

3.3

0.7

0.868421053



2.6 PWM开关频率测试

LM60440的工作模式会随着负载的变化而变化,会在PFM,DCM,CCM几种模式之间切换,从而满足负载电流的需求。PWM开关频率也随之发生变化。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?

 完成电源模块的设计后,需要如何测量? 

完成电源模块的设计后,需要如何测量?


2.7 关键元件耐压测试

LM60440是内置MOSFET的,芯片SW-pin和电感的节点处电压会一直加载在MOSFET的漏级。PWM开关过程会产生overshoot电压,测量得到的过冲电压最大值是8.6V,该过冲电压不能击穿内部MOSFET,如果要降低过冲电压,可以增加snubber电路加以抑制。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


输出电容一般选择MLCC,需要考虑纹波电流不要超过MLCC的额定值,否则会让MLCC发热。下图是MLCC的纹波电流,90mA左右,MLCC的ESR也比较小,不会产生太大的发热。


完成电源模块的设计后,需要如何测量?


3. 小结


完成以上的测试,测试值都满足了系统需求和客户需求。随后还需要进行EMC方面的测试,TI提供的LM60440的EVM板进行EMC测试,都是通过的,余量很大。但在具体产品中,不仅仅只有这一路电源,还有BOOST电路,所以Datasheet提供的EMC数据仅仅是做参考。即使产品的EMC测试失败,一般也不会仅仅是电源模块的问题,需要从整个电路板的角度定位干扰源和辐射源,然后对应的改进。


在完成研发层面的2PCS测试后,随后将电路板转交TQE部门,进行高低温,湿度以及寿命等耐受性实验。

本文系21ic论坛网友kk的回忆原创
—— The End ——

微信公众号后台回复关键字“加群”,添加小编微信,拉你入技术群。

推荐阅读
一些著名的软件都用什么语言编写?
功率MOS管主要参数
一个好用的技能|没有串口,如何输出打印调试信息?
硬核!!!如何测量电源的纹波和瞬态

分享 💬  点赞 👍  在看 ❤️ 

以“三连”行动支持优质内容!

原文始发于微信公众号(8号线攻城狮):完成电源模块的设计后,需要如何测量?

版权声明:admin 发表于 2022年1月5日 下午11:28。
转载请注明:完成电源模块的设计后,需要如何测量? | CTF导航

相关文章

暂无评论

暂无评论...