使用PXI模块化仪器测试电源管理芯片 电源, 仪器

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电源管理芯片（PMIC）是用于管理或转换系统（手机、平板电脑或汽车ECU）内部功率的集成电路。 低功率PMIC，比如移动电话和其他空间有限的手持设备中使用的PMIC可直接安装到PCB上，是设备的电源或电池与复杂电子器件之间的重要接口。DC-DC电源转换器许多应用常见的一种PMIC，其中功率转换电路用于将直流电源的电压电平上变频或下变频为另一个电压电平。 无论是生产前的设计验证还是评估DC-DC转换器是否可用于某个产品，我们均需要一个可重复且精确的测试序列。标准的DC-DC转换器测试序列可测量电压准确度、效率、线性/负载调整率和瞬态响应等性能标准。 本文探讨了NI系统SMU所具有的功能、精度和速度如何完成许多过去使用电源、数字万用表、示波器进行的测试。
1. 测试元件示例


图1.TI TPS54360降压型DC-DC转换器（图片来源：TI.com）
为了讨论典型低功率DC-DC转换器的系统设置和测试步骤，我们以TI的TPS54360为例。 如图1所示，TPS54360是用于汽车和通信系统的降压转换器。 它可以接受4.5~60 V的输入电压，并将这个电压范围下变频为0.8~58.8V的输出。 它的最大输出电流为3.5 A。
通过查看TPS54360 DC-DC转换器规范的每个参数，我们就可以确定验证这些值所需的硬件。
2. 电流消耗
当输出一个作为输入电池反馈电压的电压时，许多工程师会关注DC-DC转换器消耗的电流。 两个有用的电流参数是器件的关断电流和静态电流。
关断电流：如果要运行MAX8640Y DC-DC转换器，电压必须连接到SHDN引脚。 将SHDN引脚连接至GND或逻辑低电平会将芯片置于关断模式。 制造商通常感兴趣的是转换器在该状态下消耗的电源电流，该电流称为关断电流。
静态电流： 静态电流指DC-DC转换器的另一端不施加任何负载时消耗的电源电流。 为了分析这个特性，测试工程师可以监测以100μV增量扫描电源电压时输入引脚所消耗的功率。 得到的可能是类似于图2所示的曲线图。


图2.TPS54360的静态电流分析


表1.TPS54360数据表中转换器消耗的电源电流参数
从表1可知，TPS54360的典型关断电流为2.25μA，典型静态电流为146μA。
构建您自己的测试系统
测试电流消耗的一个理想选择是NI PXIe-4139精确源测量单元（SMU），如图3所示。该模块连接芯片后不仅能够为芯片提供输入电压，而且可以测量芯片消耗的电流。 PXI-4139在1 μA范围内的电流测量分辨率100 fA，这个分辨率对于分析静态和关断电流以及毫微安范围的泄漏电流特性来说绰绰有余。 您可以在DC-DC转换器测试系统中使用这个精确电源来执行编程输出和扫描以及高准确度测量。


图3. NI PXIe-4139插入到测试系统的插槽1
在接下来的部分中，我们将学习如何通过添加一个PXIe-4139和扩展功能来创建这个PXI系统。 阅读本文后，您将会了解如何使用所有必需的硬件来构建一个完整的PXI系统，以进行DC-DC转换器测试。
3. 施加负载
DC-DC转换器是专为负载这一个器件供电而设计的。 在DC-DC转换器应用中，负载电流是指在指定的功率电平下电路下游从DC-DC转换器吸收的电流。 如果在转换器的输出端施加一个负载，就可以分析许多常见工业参数的特性，包括效率与负荷的曲线、直流线性调整率、DC负载调整率和电流极限测试。
直流线性和负载调整率：当DC-DC转换器的电源电压从额定最大值扫描到额定最小值，同时芯片的输出保持在满电流负载状态时，输出电压会发生变化。 直流线性调整率是指输出电压的变化百分比，单位为mV/V或百分比。 同样地，DC负载调整率是指当电源电压保持稳定且输出负载从规定的最小额定电流变化到最大额定电流或者说满负载时的输出电压变化，用mV/A或百分比表示。 负载调整率通常在电源电压维持在额定输入电压时进行测量。 SMU可提供不同的负载，帮助您绘制类似于图4的曲线图来分析这一参数特性。


图4.TPS54360数据表中规定的直流线性（左）和负载（右）调整率
效率与负载曲线：效率是消耗功率与输入功率之比，通常以百分比表示（[Vout * Iout] / [Vin * Iin] * 100）。 因此，效率与负载的曲线可以显示DC-DC转换器的效率随负载的增加而变化的情况。 我们可能希望显示不同输入电压下的效率与负载曲线，包括最小输入电压、额定输入电压和最大输入电压。 图5显示了TPS54360在各种电源电压下的效率-负载曲线。