完成电源模块的设计后，需要如何测量呢？

只看该作者 · 2021-2-7 18:50

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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。