電源模塊設計后需要做哪些測試內容

完成電源模塊的設計后，需要如何測量呢

隨著電源技術的發展，電源模塊是開關電源的發展趨勢。在電源模塊設計中，設計是整體的核心，而測量則是一把標尺。當一切工作就緒之后，并不意味著結束，電源模塊性能的優劣是值得關注的問題。

實際工作中，在結束了頗為關鍵的電源模塊設計后，你會做多少測試內容?以下分享我在工作中，實際進行的幾項關鍵參數的測試和分析流程，供大家參考。

1.概述

降壓型電源芯片是電子產品設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品使用的各種電源。對于車載產品，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，很多公司的電子產品關于電源模塊的測試，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，電源效率就結束了。認為電源模式的所有參數Datasheet都已經標示了，也沒什么可測，也改變不了什么參數的。實際BUCK電路有很多參數需要測試的，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，負載瞬態響應圖，紋波電壓圖以及EMC測試圖等等參數，這些測試數據都是基于LM60440的EVM板測試得到的，是在工況比較好的情況測試的。對于實際的電子產品要根據具體的客戶要求和系統要求去測試。我們開發的一款產品中就用到了LM60440，降壓得到3V3的輸出電壓。完成原理圖設計后，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，負載瞬態變化測試，環路穩定性測試;

3.時序測試：開機時序，關機時序;

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開關頻率測試;

7.關鍵元件耐壓測試，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劣。下面將測試中的七個方面的實測數據和Datasheet中的數據做一個對比分析，供大家討論，看看其他壇友在電源設計中有多少測試內容。

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。關于這類的工況的有相應的測試規范，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，車載的電子產品，比如導航、娛樂、儀表盤等設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。

在我們的產品中根據客戶要求，使用的是如下的測試規范，相對更加嚴苛一些。

關于這一項測試，在LM60440的Datasheet中沒有體現出來。在我們的產品測試中，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據都不一樣。電感輸出電容選型不一樣，也會造成電壓紋波的測試數據的不同。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60mV要小。

2.2.2 負載瞬態變化測試

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 環路穩定性測試

電源系統一般是負反饋，環路沒有設計后，輸出電壓會出現波動，在工程設計中，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對電源系統的環路進行測試，得到相位余量是82度，增益余量15dB。環路系統是穩定的。關于這個測試項目，在Datasheet中沒體現，實際產品是很有必要測試的。

很多芯片是專門的環路補償comp-pin，用于在環路不穩定的時候進行補償。LM60440沒有環路補償pin，如果環路不穩定的時候，可以在反饋回路增加補償網絡。如上圖原理圖中的Cff，也可再串聯電阻。根據具體電路進行調整

2.3 開關機時序

2.3.1 開機時序

在電源產品中，開機時序是要嚴格和Datasheet中對應的，但是可以調整軟啟動的時間，從而滿足不同項目的需求。測試得到的數據和Datasheet保持了一致。

2.3.2 關機時序

關機時序相對開機時序沒有那么嚴苛，所以在Datasheet中沒有測試，但是我們實際的產品完成了測試，然后和LM60440提供的EVM的關機時序做了對比，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。

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

電源模塊會產生各種損耗，比如MOSFET開關損耗，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

VinIinVoutIoutEfficiency

70.373.30.70.891891892

80.323.30.70.90234375

90.293.30.70.885057471

100.263.30.70.888461538

110.243.30.70.875

120.223.30.70.875

130.23.30.70.888461538

140.193.30.70.868421053

2.6 PWM開關頻率測試

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開關頻率也隨之發生變化。

2.7 關鍵元件耐壓測試

LM60440是內置MOSFET的，芯片SW-pin和電感的節點處電壓會一直加載在MOSFET的漏級。PWM開關過程會產生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發熱。下圖是MLCC的紋波電流，90mA左右，MLCC的ESR也比較小，不會產生太大的發熱。

3. 小結

完成以上的測試，測試值都滿足了系統需求和客戶需求。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數據僅僅是做參考。即使產品的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，然后對應的改進。

在完成研發層面的2PCS測試后，隨后將電路板轉交TQE部門，進行高低溫，濕度以及壽命等耐受性實驗。

原文標題：【經驗分享】完成電源模塊的設計后，需要如何測量?

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審核編輯：湯梓紅