使用PXI模块化仪器进行电源管理IC测试

^{图1：德州仪器TPS54360降压DC-DC转换器（图片来源：TI.com）}

为了讨论典型低功耗DC-DC转换器的系统设置和测试程序，本文以德州仪器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。TPS54360可接收4.5－60 V的输入电压，并将此电压下变频为0.8－58.8 V的可调输出。其最大输出电流为3.5 A。

查看TPS54360 DC-DC转换器的各项规范参数，可确定验证这些值所需的硬件。

在提供模拟输入电池馈电电压的电压时，许多工程师都会关注DC-DC转换器的电流消耗。其中两个值得关注的特定电流是设备的关断电流和静态电流。

关断电流－如需运行MAX8640Y DC-DC转换器，必须将电压连接至SHDN引脚。将SHDN连接至GND或逻辑低电平可将芯片置于关断模式。制造商可能会关注转换器处于该状态时消耗的电源电流（称为关断电流）。

静态电流－静态电流是DC-DC转换器另一侧无负载时消耗的电源电流。如需分析此特性，测试工程师可监控以100 µV为增量扫描电源电压时输入引脚上的功耗。其结果可能与图2类似。

^{图2：TPS54360静态电流的特性分析}

^{表1：TPS54360数据表中的电源电流规范}

如表1所示，TPS54360的典型关断电流为2.25 µA，典型静态电流为146 µA。

构建测试系统

NI PXI-4139精密源测量单元(SMU)是测试电流消耗的理想选择，如图3所示。在连接芯片后，该模块不仅能够为芯片提供输入电压，还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为100 fA，足以对静态和关断电流以及毫微安范围内的泄漏电流进行特性分析。可在DC-DC转换器测试系统中使用此精密电源，执行编程输出和扫描以及高精度测量。

^{图3：将NI PXIe-4139添加到测试系统插槽1}

接下来，我们将了解如何通过再添加一个PXIe-4139并扩展功能来构建此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。

DC-DC转换器专门设计用于为另一个负载设备供电。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。在转换器的输出侧施加负载可对许多常见的工业参数进行特性分析，包括效率与负载曲线、直流线性调整率、DC负载调整率和电流极限测试。

直流线性调整率和直流负载调整率－当DC-DC转换器的电源电压从额定最大值扫描至额定最小值，并且芯片的输出保持在满电流负载时，输出电压会发生变化。直流线性调整率为输出电压的变化百分比，单位为mV/V或百分比。同样，直流负载调整率是指当电源电压保持稳定且输出负载从指定的最小额定电流变化至最大额定电流或满负载时，输出电压的变化，以mV/A或百分比表示。负载调整率通常在电源电压保持在标称输入电压时进行测量。SMU可提供不同的负载，用户可使用与图4类似的图表对此参数进行特性分析。

^{图4：TPS54360数据手册中的直流线性（左）和负载（右）调整率}

效率与负载曲线－效率是消耗功率与输出功率之比，通常以百分比的形式表示([Vout × Iout]/[Vin × Iin] × 100)。因此，效率与负载的关系曲线说明了DC-DC转换器的效率随负载增加而变化的情况。用户也可能希望了解其他多种效率与负载曲线，包括最小、标称和最大输入电压。图5所示为TPS54360在不同电源电压下的效率与负载曲线。

^{图5：TPS54360数据手册中的直流负载调整率}

电流极限测试－峰值输出电流限制可确保在过载和/或短路情况下将输出电流限制在预设的最大值内，从而保护DC-DC转换器不被损坏，您可以在测试过程中模拟这两种情况。

构建测试系统

所有测试中都应使用SMU，以从DC-DC转换器获取不同的电流负载。PXI-4139的四象限功能支持使用第二个PXI-4139 SMU为DC-DC转换器提供负载，如图6所示。测量转换器输出电压时，PXI-4139可连续吸收高达12 W的功率。

^{图6：将第二个PXIe-4139 SMU通过插槽3添加至测试系统}

可通过SMU的硬件排序引擎和PXI机箱的内置触发来对两个SMU的输出和测量操作进行同步。从而在各种输入电压和输出电流下快速测试直流转换器，并通过硬件定时输出执行大型序列，如下图所示。 

^{图7：使用NI SMU的TPS54360效率曲线}

构建测试系统时需要考虑的另一个性能标准是测量DC-DC转换器的电压准确度。由转换器输出供电的电路十分灵敏，因此需确保这些下游组件的电压读数尽可能准确。

DC范围测试－输出电压范围是指DC-DC转换器在满负载条件下可提供的电压范围。正如先前所述，输出电压会随着输入功率和负载的变化而变化。因此，可以通过测量负载处于稳定状态时的转换器输出电压来分析这一范围参数的特性，然后在不损坏器件的前提下从最大输入电压扫描到最小输入电压。TPS54360是一款降压型电源转换器，可接收4.5－60 V的电压，输出0.8－58.8 V的电压，如表2所示。

DC准确度测试－DC-DC转换器的输出电压准确度规范是指在用户规定的条件下运行时输出电压的最大变化。准确度会随着温度的变化和时间的推移而变化，通常以预期值或标称值的百分比形式表示。例如，-40－150 ℃的温度范围内，TPS54360的内部基准电压准确度为±1%。

^{表2：TPS54360数据手册中的范围规范}

构建测试系统

在PXI系统中，使用一台PXI-4139提供输入电压，将另一台PXI-4139作为可编程负载。因此，只需测量转换器的输出电压即可对上述直流准确度进行特性分析。第二个SMU用于测量该电压，以防止在向DC-DC转换器灌入电流时因过压而损坏硬件。只需从硬件中读取该值即可。

请注意，设计该测试系统时，电压测量应该在DC-DC转换器没有任何负载电流的输出端上进行。如果负载电流流经测量导线，可能导致测量结果出现数毫伏偏差。测量设备准确度时还需记住一点，测试设备的准确度应至少为待测设备的10倍。若非如此，则我们测量的是测试设备的不准确度，而不是设备的准确度。

PXI-4139的远端感应功能可解决这两个问题。远端感应可直接测量UUT电压，从而可避免导线电阻引起电压降而导致测量误差。由于SMU远端感应端具有高输入阻抗，流经这些导线的电流可忽略不计，这样可减少导线电阻的影响，从而准确地监测负载电压。

PXIe-4139能够以高准确度和高精度测量电压，只需使用一个SMU模块即可进行测量，而以前则需要一个额外的DMM才能实现。

^{表3：PXIe-4139 SMU和PXI-4071 DMM的分辨率和准确度参数规范对比}

注：关于如何确定给定设备和范围的分辨率与准确度的详细信息，请参阅ni.com中该设备的参数规范页面。

瞬态响应是系统对平衡状态发生变化时的响应。制造商可使用这些图表来说明DC-DC转换器在启动时的电压和电流响应，以及它如何响应线路和负载的变化，突出显示DC-DC转换器的过冲、下冲响应和稳定时间。

线性瞬态响应－线性瞬态响应展示了DC-DC转换器输出引脚上的电压和电流如何响应输入电压的变化。通过先递增再递减输入电压可监控电压，以获取如图7右上所示的图表。

负载瞬态响应－相反，图7左上的负载瞬态响应展示了输出电流负载发生变化后，输出电压稳定至指定准确度所需的时间。可测试不同的幅度步长，以全面了解负载瞬态响应，这对于测试手机和数字消费产品至关重要。

启动波形－PXIe-4139的最大采样率为1.8 MS/s，可用于测量DC-DC转换器的最短导通时间。该时间为稳定时间，或输出处于满负载时输出电压达到指定准确度所需的时间。例如，当输入电压从零增大至标称电压时，输出达到稳定状态所需的时间就是最小接通时间。TPS54360最小接通时间可在启用EN引脚且Vin不为零时测量，  如图7右下图所示。

噪声和纹波－噪声和纹波是DC-DC转换器输出端的交流测量参数，单位为mV RMS或mVp-p。输出纹波电压是一系列包含高频分量的小脉冲，因此通常以mVp-p为单位。DC-DC转换器输出的纹波和噪声有两个主要来源：转换器产生的开关噪声和线性电源纹波。对于线性波纹，DC-DC转换器电源提供了某种程度的纹波抑制；通过转换器的残余纹波会出现在负载上。过滤输出纹波的最常见方法是在转换器的输出端串联电感和并联电容，俗称“LC网络”。 由于噪声和纹波中包含高频分量，因此应该使用具有高带宽的数字化仪进行测量，使波纹尖峰中的所有主要谐波都包含在内。

^{图8：TPS54360数据手册中的负载瞬态响应（左上）；}

^{TPS54360数据手册中的线性瞬态响应（右上）；}

^{TPS54360数据手册中的启动波形（底部）；}

构建测试系统

传统的瞬态和噪声测试方法需要使用示波器，通过探针来测量DC-DC转换器的输入和输出线。然而，PXIe-4139 SMU的1.8 MS/s采样率足以分析线性和负载瞬态响应特性，而且可以避免增加另一个仪器导致的复杂性和成本。图8所示为PXIe-4139 SMU正在测量TPS54360的负载和线性瞬态行为。在这些测试中，SMU分别充当了精密直流电源、外部负载和示波器。外部负载在500 µs脉冲内从最大电流的25％增加到75％，SMU负责测量DC转换器的电流消耗和电压输出

注：NI SourceAdapt技术是一种用于控制SMU瞬态行为的数字控制循环技术，可以快速上升实现500 µs脉冲且不出现过冲或振荡。

^{图9：使用NI SMU分析TPS54360的负载和线性瞬态特性}

如需实现更高速度的采集或频谱分析，可以轻松地将高速示波器添加到系统中，只需将板卡插入到PXI机箱的外设插槽即可。NI提供了多种PXI示波器，可在一个PXI插槽中实现高达24位垂直分辨率或5 GS/s采样率的高分辨率或高速测量。例如，使用PXIe-5162 4通道5 GS/s 10位示波器探测DC-DC转换器的输入和输出，可以通过软件前面板来查看噪声的频率分量。在这种情况下，可看到600 kHz附近的开关噪声为数毫伏。

^{图10：使用PXIe-5162示波器绘制双通道频率图}

PXI的尺寸规格有助于扩展测试系统。可在PXI机箱的剩余插槽中插入任意数量的附加PXI模块。在测试DC-DC转换器时，测试工程师经常需要的一些硬件示例包括具有RF和混合信号功能的PXI模块、用于定时分析和连接的高速数字I/O，以及用于闭环控制和协议感知测试的基于FPGA的I/O。

通过NI硬件和软件的高度集成，可实现PXI测试系统自动化，通过准确、可重复的定时来获得一致的数据。可以使用NI LabVIEW软件等开发环境来轻松编写测试序列，然后借助现成可用的强大测试管理环境软件NI TestStand来实现序列自动化，完成上述参数测试。

图11所示为扩展机箱的示例。

^{图11：扩展机箱示例}

PXI系统需要PXI机箱和集成控制器。 有关PXI机箱和控制器的详细信息，请参阅什么是PXI？

该系统使用下列硬件组件：

• NI PXIe-4139精密源测量单元
• NI PXIe-5162高速数字化仪

• 下载关于使用NI PXI系统进行大功率直流-直流转换器测量的应用指南说明