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完成電源模塊的設(shè)計后，需要如何測量呢
隨著電源技術(shù)的發(fā)展，電源模塊是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。在電源模塊設(shè)計中，設(shè)計是整體的核心，而測量則是一把標尺。當一切工作就緒之后，并不意味著結(jié)束，電源模塊性能的優(yōu)劣是值得關(guān)注的問題。
實際工作中，在結(jié)束了頗為關(guān)鍵的電源模塊設(shè)計后，你會做多少測試內(nèi)容？以下分享我在工作中，實際進行的幾項關(guān)鍵參數(shù)的測試和分析流程，供大家參考。
1.概述
降壓型電源芯片是電子產(chǎn)品設(shè)計中并不可少的核心元件，由電源芯片組成的電源模塊提供電子產(chǎn)品使用的各種電源。對于車載產(chǎn)品，汽車蓄電池的電壓會在9V-16V之間變化，在這種情況下，電源模塊需要適應(yīng)蓄電池電壓和負載在變化的工況，如何對電源進行測試就顯得很重要的，很多公司的電子產(chǎn)品關(guān)于電源模塊的測試，就是對著Datasheet給的參考電路和layout示例，簡單測試下輸出電壓的紋波，電源效率就結(jié)束了。認為電源模式的所有參數(shù)Datasheet都已經(jīng)標示了，也沒什么可測，也改變不了什么參數(shù)的。實際BUCK電路有很多參數(shù)需要測試的，下圖是TI的一款BUCK電源芯片LM60440，滿足AECQ-100的車載要求。
在LM60440的Datasheet中，提供了效率曲線圖，啟動時序圖，負載瞬態(tài)響應(yīng)圖，紋波電壓圖以及EMC測試圖等等參數(shù)，這些測試數(shù)據(jù)都是基于LM60440的EVM板測試得到的，是在工況比較好的情況測試的。對于實際的電子產(chǎn)品要根據(jù)具體的客戶要求和系統(tǒng)要求去測試。我們開發(fā)的一款產(chǎn)品中就用到了LM60440，降壓得到3V3的輸出電壓。完成原理圖設(shè)計后，打快板拿到Demo樣品后，主要從以下七個方面的維度完成對電源模塊的測試：
1.輸入電壓性能測試，包括冷機啟動測試，使能電壓閾值測試；
2.輸出電壓性能測試，包括輸出電壓紋波測試，負載瞬態(tài)變化測試，環(huán)路穩(wěn)定性測試；
3.時序測試：開機時序，關(guān)機時序；
4.保護功能測試：過壓保護，過流保護，短路保護，過溫保護；
5.效率測試；
6.PWM開關(guān)頻率測試；
7.關(guān)鍵元件耐壓測試，主要包括MOSFET,DIODE,電感,輸入電容，輸出電壓；
完成以上七個方面的測試，可以基本反映出電源模塊的性能優(yōu)劣。下面將測試中的七個方面的實測數(shù)據(jù)和Datasheet中的數(shù)據(jù)做一個對比分析，供大家討論，看看其他壇友在電源設(shè)計中有多少測試內(nèi)容。
2.測試實例的分析
2.1 輸入電壓性能測試
2.1.1 冷機啟動測試
冷機啟動測試一般稱為cold-trank測試，這是由于發(fā)動機啟動的時候，需要蓄電池大電流工作，從而造成蓄電池電壓快速跌落。關(guān)于這類的工況的有相應(yīng)的測試規(guī)范，比如ISO 7637-2 (test pulse 4)，如下圖。在cold-trank的測試過程中，即使蓄電池電壓跌落，車載的電子產(chǎn)品，比如導航、娛樂、儀表盤等設(shè)備依然需要保持安全可靠的功能，這就對電源模塊提出了更高的要求。
在我們的產(chǎn)品中根據(jù)客戶要求，使用的是如下的測試規(guī)范，相對更加嚴苛一些。
關(guān)于這一項測試，在LM60440的Datasheet中沒有體現(xiàn)出來。在我們的產(chǎn)品測試中，是符合測試要求的。在輸入電壓跌落過后，輸出電壓也跌落，但在一定時間（小于10ms）可以重新輸出，符合系統(tǒng)需求的定義。
2.1.2 使能閾值測試
LM60440的使能（EN-Pin）控制芯片的啟動和關(guān)斷，該pin的輸入電壓是有精確閾值控制，通過外部其他電源電壓控制（一般是選用3.3V的LDO控制）。在實際產(chǎn)品測試中得到了和Datasheet中一致的閾值電壓。
2.2.輸出電壓性能
2.2.1 輸出電壓紋波測試
電壓紋波（ripple voltage）基本都會測試，空載輕載重載情況下測試到的數(shù)據(jù)都不一樣。電感輸出電容選型不一樣，也會造成電壓紋波的測試數(shù)據(jù)的不同。如何降低電壓紋波就不在這里展開，很多資料都有介紹。這里主要討論電源模塊設(shè)計完成后，如何進行測試。輸出電流3A的情況下，測試的紋波電壓有38mV,比Datasheet中的參數(shù)60mV要小。
2.2.2 負載瞬態(tài)變化測試
在負載突然跌落和加載的時候，會造成輸出電壓過沖和跌落的現(xiàn)象。在實際測試中對于這種測試的時候，輸出電壓過沖和跌落幅度有要求，是不能超過5%*Vout。輸出電流是在0.28A到2.8A的變化，過沖和跌落電壓是85mV和115[size=14.6667px]mV，都是小于3.3*0.05=165[size=14.6667px]mV。在空載輕載的時候，輸出電壓紋波會小一些。
2.2.3 環(huán)路穩(wěn)定性測試
電源系統(tǒng)一般是負反饋，環(huán)路沒有設(shè)計后，輸出電壓會出現(xiàn)波動，在工程設(shè)計中，要求相位余量大于65度，增益余量大于10dB，在負載電流是2.8A的情況下，使用Bode100對電源系統(tǒng)的環(huán)路進行測試，得到相位余量是82度，增益余量15dB。環(huán)路系統(tǒng)是穩(wěn)定的。關(guān)于這個測試項目，在Datasheet中沒體現(xiàn)，實際產(chǎn)品是很有必要測試的。
很多芯片是專門的環(huán)路補償comp-pin，用于在環(huán)路不穩(wěn)定的時候進行補償。LM60440沒有環(huán)路補償pin，如果環(huán)路不穩(wěn)定的時候，可以在反饋回路增加補償網(wǎng)絡(luò)。如上圖原理圖中的Cff，也可再串聯(lián)電阻。根據(jù)具體電路進行調(diào)整
2.3 開關(guān)機時序
2.3.1 開機時序
在電源產(chǎn)品中，開機時序是要嚴格和Datasheet中對應(yīng)的，但是可以調(diào)整軟啟動的時間，從而滿足不同項目的需求。測試得到的數(shù)據(jù)和Datasheet保持了一致。
2.3.2 關(guān)機時序
關(guān)機時序相對開機時序沒有那么嚴苛，所以在Datasheet中沒有測試，但是我們實際的產(chǎn)品完成了測試，然后和LM60440提供的EVM的關(guān)機時序做了對比，是一致的。
2.4 保護功能測試
2.4.1 過壓保護測試（OVP）
對于電源芯片是不能過電壓使用的，超過電源芯片的最大輸入電壓，會導致芯片過壓損壞的。
有的電源芯片是有OVP閾值電壓，最大絕對值電壓（該電壓即為芯片的過壓損壞值），LM60440是沒有OVP閾值電壓，之前用到的另一款電源芯片有的，當輸入電壓超過OVP閾值，輸出電壓就降低為0，同時診斷pin的標志位翻轉(zhuǎn)。
2.4.2 過流保護測試（OCP）
利用電子負載施加超過電源芯片的最大輸出電流，會產(chǎn)生OCP，保證輸出電流和輸出電壓在正常的工作范圍；
2.4.3 短路保護測試
利用測試治具，將輸出短路。電源芯片檢測到瞬間過電流，會關(guān)閉輸出。保證電源模塊的正常工作。
2.5 效率測試
電源模塊會產(chǎn)生各種損耗，比如MOSFET開關(guān)損耗，導通損耗，電感直流損耗，交流損耗等等。從而造成輸出效率的變化。因此客戶會要求最低的效率比。LM60440在不同輸入電壓情況下，重載的時候基本都可以達到90%以上的效率。
在實測的時候，效率會比Datasheet的要低一些。輸出電流增大的情況下，效率會更高的
|
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開關(guān)頻率測試
LM60440的工作模式會隨著負載的變化而變化，會在PFM,DCM,CCM幾種模式之間切換，從而滿足負載電流的需求。PWM開關(guān)頻率也隨之發(fā)生變化。
2.7 關(guān)鍵元件耐壓測試
LM60440是內(nèi)置MOSFET的，芯片SW-pin和電感的節(jié)點處電壓會一直加載在MOSFET的漏級。PWM開關(guān)過程會產(chǎn)生overshoot電壓，測量得到的過沖電壓最大值是8.6V，該過沖電壓不能擊穿內(nèi)部MOSFET，如果要降低過沖電壓，可以增加snubber電路加以抑制。
輸出電容一般選擇MLCC，需要考慮紋波電流不要超過MLCC的額定值，否則會讓MLCC發(fā)熱。下圖是MLCC的紋波電流，90mA左右，MLCC的ESR也比較小，不會產(chǎn)生太大的發(fā)熱。
3. 小結(jié)
完成以上的測試，測試值都滿足了系統(tǒng)需求和客戶需求。隨后還需要進行EMC方面的測試，TI提供的LM60440的EVM板進行EMC測試，都是通過的，余量很大。但在具體產(chǎn)品中，不僅僅只有這一路電源，還有BOOST電路，所以Datasheet提供的EMC數(shù)據(jù)僅僅是做參考。即使產(chǎn)品的EMC測試失敗，一般也不會僅僅是電源模塊的問題，需要從整個電路板的角度定位干擾源和輻射源，然后對應(yīng)的改進。
在完成研發(fā)層面的2PCS測試后，隨后將電路板轉(zhuǎn)交TQE部門，進行高低溫，濕度以及壽命等耐受性實驗。
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