2006年10月 宇航计测技术 Journal of Astronautic Metrology and Measurement Oet..2006 V01.26.No.5 第26卷第5期 文章编号:1000—7202(2006)05—0030—07 中图分类号 ̄TN787 .2,TM935.41 文献标识码:A 电压控制型脉宽调制(PWM)器件 电参数的全面测试 李永梅 (中国三江航天集团计量站,湖北孝感432000) 摘 要 介绍了电压控制型PWM器件(以下简称PWM器件)的功能结构及测试难点。提出了该类器件电 参数的测试方案及实现方法。基于SP3160 II大规模混合集成电路测试系统软硬件资源,实现了PWM器件电参数 的全面测试。重点阐述了误差放大器测试环路设计及输出驱动器电平测试的新方法。 关键词 脉宽调制 电参数误差放大器驱动器电平测试方法 The Testing of All Electrical Parameters for Pulse Width Modulator(PWM)Controlled by Voltage LI Yong—-mei (The Metrologieal Station of China Sanjiang Space Group,Xiaogan Hubei 432000) Abstract Introducing the function structure and testing diiculfties of PWM controlled by voltage (for short PWM).Proposing testing solutions and achieving methods of electircal parameters and combi— ning with the software and hardware resource of SP3 1 60 lI Large—-scale mixed integrated circuit testing system,the testing of all electircal parameters of PWM has been fulilfled.Emphatically,the design meth— od of testing circuit for Error Ampliifer and the method of testing level for output drivers are creative. Key words PWM Electrical parameter Error Ampliier If_evel for driver Testing method 1 引 言 随着半导体技术的发展,PWM器件应运而生且 应用日益广泛,如此,对PWM器件的测试就显得尤 为迫切和重要。PWM器件集成度高、结构复杂,电 参数较多,目前国内集成电路测试单位对其功能和 使用可靠性。调研发现,国产SP3160 1I大规模集成 电路测试系统(以下简称SP3160Ⅱ测试系统)具有 丰富的系统资源,于是采用软硬件结合的设计思路, 通过对电压控制型PWM器件如TL494、SG1525、 SG1524进行多次试验直至成功完成测试的全部设 计,摸索并研究出了对电压控制型PWM器件电参 数全面测试的实现方法,且在测试方法的研究和测 试的集成及软硬件的设计上均有一定的技术创新, 电参数的测试不全面,部分参数的测试甚至没有成 熟的测试方法,严重影响了PWM器件在产品中的 收稿日期:2oo6.08.03 作者简介:李永梅(1968一),女,主要研究领域:计量检测。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第5期 电压控制型脉宽调制(PWM)器件 ・31・ 如对单电源、高输出阻抗型误差放大器参数的测试, 对输出驱动器信号电平的测试,以及对模拟资源和 数字资源的综合应用等。 3 PWM器件测试的难点 PWM器件包含了不同类型的物理量,如频率 量、时间量、电压量、电流量等,电参数达30多项。 2 PWM器件的功能结构 PWM器件的功能单元由电压基准源、振荡器、脉 宽调制比较器、死区控制、误差放大器、电流限制、输 如何全面测试PWM器件的电参数,在系统资源的 有效配置、测试线路的合理设计、软件的优化设计等 方面均提出了挑战,必须解决测试的准确性、稳定 性、系统的抗干扰问题。而且,PWM器件的某些参 数的测试目前尚无成熟的测试方法,研究可行的测 试方案、测试方法的实现与验证是必须解决的另一 个难点。 出等几部分组成,有些器件还具有软启动控制、快速 关闭、欠压锁定等辅助部分。适用于高频功率MOS 管驱动的SG1525A/27A的功能结构图如图1所示。 4 PWM器件电参数的测试方案 采用软硬件结合的测试方案设计思路,充分利 用SP3160II测试系统的软硬件资源,针对PWM器 件的功能结构和电参数,依据相关标准,设计相应的 测试线路和源代码测试程序,以全面实现PWM器 件电参数的自动检测。测试原理采用时域的激励一 响应法,即将被测PWM器件所需的直流、交流信号 通过不同的测试模块和适配器直接施加到被测 PWM器件上,再利用不同的测量部件对被测器件的 参数进行测试。PWM器件电参数测试框图如图2 所示。 图1 SGI525A/27A的功能结构图 薹 软启动:软启动I 电压及电流 I l 蕃垂蓁 主爹薹耋主 耋 、Il童莶享 掣 蓑 广 半导体集成电路标准汇编:电压 调整器、比较器/运算放大器、 开关电源用脉宽调制器 振荡器、输出频率、标准频 偏、压频特性、时钟脉宽 输出驱动器:输出高 电平、输出低电平、 漏电流 关断:关断阈I 值电压 死区控制:输入阀 值电压、最大占空 比、最小占空比 图2电参数测试框图 维普资讯 http://www.cqvip.com
・32・ 宇航计测技术 2006正 4.1测试线路 在测试线路构件上,借助程控技术,综合利用 SP3160 lI测试系统的硬件资源。具体实现方法如 下:采用测试系统的精密测量单元测试电压基准源 参数及其它电压量和电流量;以测试系统的辅助运 放的闭环测试电路测试误差放大器参数;借助测试 系统的时间测量单元测试各种脉冲和频率等波形参 数;利用测试系统的程控数字多用表测试驱动器输 出电平。 为避免在测试器件某一部分参数时,受其它电 路参数测试的影响,借助SP3160 11测试系统上的继 电器矩阵对其它电路参数测试进行控制。测试原理 框图如图3所示。 图3测试原理框图 4.2测试程序 测试程序采用模块化设计,通过过程设计以完 成测试数据的自动采集、存储和计算等。sP3160 11 测试系统提供的窗口界面编程难以实现对PWM器 件需要扫描测试和间接测量的电参数测试,此问题 借助测试系统专用的测试过程和函数,在Delphi开 发环境采用Pascal语言编程,将各单项参数的测试 定义为子过程,通过调用子过程来完成PWM器件 源代码测试程序的设计和编制。测试程序设计流程 如图4所示。自定义初始化是一个系统初始化过 程,并且要在执行任何测试之前被调用,主要目的是 使SP3160Ⅱ测试系统的硬件在开始测试前将被设 置到初始状态;参数测试模块包括了PWM器件所 有电参数的测试过程以及各参数的测试条件及测试 范围;复位下电过程在参数测试模块过程结束后立 刻被调用,其主要目的是为了防止硬件中断对被测 PWM器件造成损害。 l 自定义初始化 I I 测试参 目 l 蓑 r 。尴 慢耿 I 参数的测试条件及范围的设置l L l 调用参数的测试过程 I 臣 1 I 复位下电 I 图4测试程序设计流程图 5 PWM器件电参数测试实现方法 5.1 电压基准源的测试 电压基准源测试线路如图5所示。PWM器件 电压基准源输出5 V的模拟电压,需要测试的参数 有:输出电压、电压调整率、负载调整率及短路电流。 应用模数转换原理,通过软件程序设计,将测量值进 行数据处理以实现电压基准源参数的测试,测出的 电压调整率和负载调整率的准确度大大提高。 图5 电压基准源测试线路图 5.2振荡器的测试 振荡器部分需要测试的参数有:输出频率、频率 的电压稳定度、最大频率、最小频率、时钟脉宽等。 采用时间测量单元测试振荡器参数,时间测量单元 采用脉冲计数法,能够准确测试振荡器信号的频率 和时间参数。对于频率的电压稳定度、时钟脉宽等 需要间接测量的参数,通过软件处理执行时间测量 维普资讯 http://www.cqvip.com
第5期 电压控制型脉宽调制(PWM)器件 单元的测量过程来完成。 采用外部阻容网络与PWM芯片内的波形发 生器产生振荡波形,在测试适配器上安排阻容网 络,程控接人PWM芯片的C ,R 端,以设定和改 变器件的振荡频率,具体连接如图6所示。对外接 阻容网络,按照规定值选用稳定性高、温漂小的器 件。 图6 振荡器测试线路图 5.3 误差放大器的测试 PWM器件的误差放大器是差动输入的放大器, 对它的测试采用辅助运放闭环测试原理实现。主要 测试参数包括:输入失调电压ym,输入失调电流 ,输入偏置电流 ,开环增益A阳,共模抑制比 CMRR,电源电压抑制比PSRR,输出灌电流,。一,输 出拉电流,。,输出低电平 ,输出高电平 等。 不同型号的PWM器件,其误差放大器的测试方法 存在着差异:如输出阻抗越小,辅助运算放大器对被 测误差放大器的影响越小;反之,输出阻抗越大,辅 助运算放大器对被测误差放大器的影响就越大,主 要与误差放大器的输出所带的负载电阻有关。为了 准确测试误差放大器的电参数,测试环路的设计就 显得相当重要。 5.3.1 高输出阻抗型误差放大器测试环路的设计 对低输出阻抗型误差放大器的测试线路,采用 国标GB3442—86中的测试线路。对高输出阻抗型 误差放大器的测试采用辅助运放闭环测量原理,具 体的测试线路如图7所示。其中,在被测PWM器 件与辅助运算放大器之间设置一级电压跟随器来实 现阻抗变换,旨在减少辅助运算放大器对被测器件 的影响。 注:EAuT——被测PWM器件的误差放大器 图7高输出阻抗型误差放大器测试环路图 5.3.1.1 电压跟随器的选用 电压跟随器的跟随精度与运算放大器的开环电 压增益和共模抑制比有关,选用集成运算放大器作 电压跟随器时,应遵循同样数量级的高电压增益和 共模抑制比原则。通用型运放有较高的增益,但共 模抑制比较差,跟随精度不高。高精度集成运放具 有较高的电压增益值,还有同样数量级的共模抑制 比及高输入阻抗等特性,跟随精度较高。另外,集成 运算放大器跟随器具有很低的输出阻抗以及很高的 输入阻抗,其阻抗变换特性要比普通射极跟随器电 路好。 5.3.1.2辅助运算放大器的选用 合理地选择辅助运算放大器,对误差放大器电 参数的准确测试起着很重要的作用。选用的辅助运 算放大器的开环增益要足够大,输入偏置电流应很 小,使其在线性区工作时,差模电压可以很小,即 。 =0。于是有 一一 ×VREF (1) 』I-2 根据需要, 由SP3160 II测试系统的基准电压源 和精密基准源提供,通过调节 的大小就可以设 定需要的 值。当辅助运算放大器工作不稳定时, 在辅助运算放大器正负电源上各加一个小容量的瓷 介质电容以进行高频旁路;且均加一个大容量的钽 电解电容,以实现低频旁路;在辅助运算放大器的反 相端与输出端之间串接一个电阻 ,使其闭环增益 为1 000倍左右,避免辅助运算放大器的开环增益太 大,反而影响其工作的稳定性。 5.3.1.3 频率补偿 根据误差放大器的频响曲线,在误差放大器的 维普资讯 http://www.cqvip.com
・34・ 宇航计测技术 2006钽 输出端与地之间要接上电阻和电容,以进行频率补 偿。但实际上,因为晶体管非理想的频率特性将使该 电路的反馈系数随频率而变,故即使增加了如此补 偿,电路工作还可能是不稳定的。为此,应在反馈回 路中另加补偿电容,如图7中的电容c。 5.3.2参数测试方法 PWM器件误差放大器的电参数较多,不一一列 举,下面仅介绍一些主要电参数的测试方法。采用图 7的测试环路对误差放大器参数进行测试。 5.3.2.1 输入失调电压 测试时,开关s。,s:,s。,s ,s ,s 闭合,这时的 测试原理线路如图8所示。 图8 输入失调电压测试电路图 图8中的运算放大器A’包括EAUT与辅助运放 A的串接,有很高的电压增益。根据运算放大器直流 闭环时的推导公式[文献3],可略去增益项的影响。 该电路输出端的电压 为 =±(1+R F) 一 (1+R F)(尺:一R1) ± ( + )( (2) 式中:尺l:Rf//RF;尺2=R,。 只要测试电路设计中使尺: 尺 ,且使R,很小, 则 与,『0对 的影响可略,电路的输出电压仅与 有关(图7中运放A的输人失调电压折合到 EAUT输人端的误差电压很小,可略去)。因此,当测 试了输出电压 后,可由下式求出 R, (3) 5.3.2.2 输入失调电流,m 测试原理仍由图8说明。电阻 ,尺m精密匹配 且口R =Rz2:R ,且阻值较大。当开关S。,S:断开 时,由于R::R R 。=Rm=R ,所以式(2)的第 二项为0。若测 ,电路的输出电压记为V&;闭合开 关S。,S:,电路的输出电压记为 。,则 一 。=±(1+ ),『0 从而得出 ,『0 ± × ㈩(4 5.3.2.3 输入偏置电流 测试原理仍由图8说明,S。,S:交替闭合。当S: 闭合时,式(2)中的R: R戤:0(R,值可忽略),而 Rl R 当Sl闭合时,R RBl=0,R2 Rm。在上 述两种情况下分别测试输出电压,根据式(2)得出 它们的差值△ 为 △ =(1+R F)×2 × 则 × ×Z. 1 v L ㈥ (5 5.3.2.4 开环增益A阳 图7中开关s。,s2,s。,s ,s ,s 闭合,计算公式 为 Avo I × {c dB 式中: ——测试条件要求的EAUT输出电压为低 限 。时,辅助运放的输出电压; ——测试条件要 求的EAUT输出电压为高限 时,辅助运放的输出 电压。 5.3.2.5 共模抑制比CMRR 图7中开关s ,s2,s。,s ,s ,s 闭合,计算公式 为 CMRR { 等× I c dB (7) 式中: ——测试条件要求的EAUT输人共模电压 为低限 一时,辅助运放的输出电压; ——测试 条件要求的EAUT输人共模电压为高限 +时,辅 助运放的输出电压。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第5期 电压控制型脉宽调制(PWM)器件 ・35・ 5.3.2.6 电源电压抑制比PSRR 冲幅度比较仪相接的功能接口,故这两种方法都不 能采用。大多数测试系统测试输出电平所采用的施 加图形向量的激励一响应法,比较适合于恒定电平 的测试。为了解决周期性开关信号电平的测试难 题,介绍一种基于程控数字多用表的所谓高速取样 数字电压表测试法。 图7中开关.s ,.S:,s,,.s ,.S ,.S,闭合,计算公式 为 R l× l c dB (8) 给PWM器件施加控制信号,使它的驱动器输 式中 ——测试条件要求的EAUT电源电压为低 出脉冲占空比达到接近于方波的占空比 。采用程 限 一时,辅助运放的输出电压;Vt9——测试条件 要求的EAUT电源电压为高限 +时,辅助运放的 输出电压。 5.4输出驱动器的测试 PWM器件驱动器的输出信号是周期性的开关 信号,是一种脉冲信号。输出驱动器可以接成共发 射极组态(如图9所示)和共集电极组态(如图10 所示)。输出驱动器的主要测试参数是输出电平。 图9共发射极组态图 图1O共集电极组态图 5.4.1 输出驱动器输出电平测试方法设计 输出电平常用的测试方法有示波器法和脉冲幅 度比较仪法。SP3160 II测试系统没有与示波器和脉 控数字多用表的“交流电压”功能测出此时驱动器 的输出电压有效值 ,经计算得出驱动器的输出电 压峰峰值 PP:1.000 067V (9) 当用精密测量单元的“加流测压”或“测压”模 块测试电压时,只局限于恒定低电平或恒高电平状 态的电压信号;程控数字多用表不能测试开关信号 的电压峰峰值。通过将两者结合,采用问接测量法, 配合以源代码程序设计可以解决这一难题。 5.4.2 负脉宽开关导通输出驱动器电平测试 对被测PWM器件是负脉宽开关导通的特性, 它的输出不能处于恒定低电平状态。这时对被测 PWM器件施加控制信号,使它的驱动器输出脉冲占 空比达到方波的占空比0。用程控数字多用表测出 输出驱动器信号的有效值 ,由精密测量单元测出 输出高电平 。 。则 共发射极组态(如图9)时的输出饱和压降 为 = 一 (10) 共集电极组态(如图10)时的输出饱和压降Vo 为 = 一 …) 式中:Vc ——负载电源。 5.4.3 正脉宽开关导通输出驱动器电平测试 对被测PWM器件是正脉宽开关导通的特性, 它的输出不能处于恒高电平状态。这时对被测 PWM器件施加控制信号,使它的驱动器输出脉冲占 空比达到方波的占空比0。用程控数字多用表测出 输出驱动器信号的有效值 ,精密测量单元测出输 维普资讯 http://www.cqvip.com
・36・ 宇航计测技术 2006正 出低电平 ,则 共发射极组态(如图9)时的输出高电平 为 : + (12) 源代码编程,全面解决了PWM器件内部的电压基准 源、误差放大器、振荡器、脉宽调制比较器、启动、关闭 等各部分参数的测试,解决了系统表层资源限制的问 题。上述这些研究成果,为PWM器件测试线路的设 计及相应测试软件的编制提供有益的参考。 参考文献 共集电极组态(如图10)时的输出高电平 为 VoⅣ:1.000067V0 一 n 。+V’ OL (13)\ J, 5.5阈值参数和占空比的测试 [1]应巧琴,田志芬.模拟电子技术基础.第一版,北京:高 等教育出版社,1985:419. [2] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.第一版,北 京:电子工业出版社,1998:550. [3] 王国定,王鸿宾.集成运算放大器.第一版,北京:国防 工业出版社,1985:550. [4] 半导体集成电路标准汇编小组.半导体集成电路运算 (电压)放大器测试方法的基本原理.第一版,北京: 中国标准出版社,1992:497. [5] 张宝华,李龙文,沈琪.半导体集成电路电压调整器测 试方法的基本原理.第一版,北京:电子工业部标准化 研究所,1996:17. PWM器件有一些阈值参数和占空比,例如脉宽 调制比较器部分、死区控制部分、软启动控制部分、 快速关闭部分、欠压锁定部分等,由于对它们的测试 大多间接测量方法,为此,需要对器件的相应管脚施 加信号进行扫描,才能达到测试阈值参数和占空比 的目的,而这均可采用SP3160 11系统的源代码编 程,并配合从扫描技术来实现。 6 结束语 利用电压跟随器的阻抗变换技术,辅助运算放 大器闭环测试原理,成功解决了高输出阻抗型误差 [6] 范振国,祝佩琛,陈学礼.半导体集成电路开关电源脉 宽调制器测试方法.第一版,北京:中国航天工业总公 司,1994:20. 放大器参数测试的技术难题;采用高速取样数字电 压表间接测量法,解决了周期性开关信号电平的自 动测试难题;在SP3160 11系统上采用底层的Delphi [7]杜建国,郁月华.示波器校准仪检定规程.第一版,北 京:中国计量出版社,2003:22. 《化学分析计量))2006年第5期目录 标准物质 高纯硅溶胶成分标准物质的制备 不确定度 气相色谱法测定汽油中苯含量不确定度的评定 洗发液中有效物含量的测量不确定度评定 气相色谱仪检定结果的不确定度评定 分析测试 N,N,N ,N 一四丁基丁二酰胺的合成及其萃取 稀土离子Pr(111)的研究 新催化体系动力学光度法测定痕量铜(11) 桂郁金与桂莪术挥发油的色谱指纹图谱比较 在火焰原子吸收光度计上以无火焰原子化法测 定碱金属元素 苯酚一硫酸分光光度法测定玉竹中多糖含量 碱溶一原子吸收光谱法直接测定贻贝、牡蛎和 黄鱼中的微量元素 荧光光度法测定面粉中的过氧化苯甲酰 玩具、铅笔中可溶性砷、锑、硒的形态分析 气相色谱法同时测定空气中痕量乙酸乙酯和乙 酸乙烯酯 高灵敏度显色反应测定头发中微量锌 锌汞合金汞含量测定方法的改进 毛细管气相色谱法同时测定油漆溶剂中二甲苯 和乙二醇乙醚乙酸酯 计量管理 环境监测实验室管理系统的开发与应用 湄洲湾海域环境质量评价 仪器设备 无液接裸露式Ag/AgCl参比电极的研制及应用 经验交流 电感耦合等离子发射光谱法测定降水中钾、钠、 钙、镁 分光光度法快速测定水中铬(VI) 光电光谱法分析钛合金中的碳 小清河底泥释放对水质的影响 抗氧剂300中氯化物测定方法的改进 实验室常用玻璃量器操作错误及解决办法 综述 液晶冠醚、碳纳米管、水溶性杯芳烃在分析化学 中的应用
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容