（微电子学与固体电子学专业论文）手持设备电源测评系统的硬件平台设计.pdf

摘要 摘要 手持终端电子设备电源系统的性能直接影响着整机运行和使用的稳定性、能量的利用、电子 设备的寿命等，因此对电源系统进行测试和评估有着十分重要的意义。而传统对电源系统的测试 评估使用仪器设备众多，操作费时低效，准确度不够高，因而迫切需要高效、高精度和自动化的 电源测评系统。 本文以手持终端电子产品电源系统的测试为需求，以构建测评系统为目标，进行系统硬件平 台的构建和设计。首先介绍了应用于手持设备的各种电源管理技术及理论，然后根据工程研发需 要，提出以芯片e u p 3 4 0 6 为核心的电源系统性能测试方案，包括静态泄漏电流、效率、纹波等静 态参数和电源传输响应、负载传输响应等动态特性。根据此测试需求设计的测评系统硬件平台由 可编程电源、电流检测电路、可编程负载、数据采集卡和外围电路等模块组成。其中可编程恒压 电源通过设置输入电压的变化来测试系统在电源激励下的各参数，其电压设置范围0 6 v ，电流 范围0 - - 8 0 0 m a ，电压输出精度士o 1 2 ，输出电阻1 6 0 0 r 1 。电流检测电路根据工程应用需求，将 电流信号转化为电压信号输出，测试系统的静态电流和转换效率，其检测电流范围3 0 0 u a - - - 6 0 0 m a ，1 0 m a 以上最大误差7 o 。可编程恒流负载通过设定电压来设置负载电流，结合控制开 关来模拟负载的动态变化，其恒流范围0 一- - 6 0 0 m a ，精度8 - 2 。在此基础上结合1 2 b i t 分辨 率的数据采集卡和外围电路构建硬件平台，将采集后的数据通过软件平台处理，进行分析显示， 从而实现电源系统完整的测试评估功能。 基于e u p 3 4 0 6 为核心的电源系统测试结果表明，手持设备电源测评系统工作稳定，较传统测 试方案中的电源功耗和体积减j x 和传统负载相比体积小，速度快，而且实现了恒流负载切换的 功能。测评系统将过去数小时的测试过程缩短为十几分钟，实现了自动化测评功能，对电源系统 的测试也达到了预期的要求。 关键词：手持设备电源管理、开关电源、可编程电源、电流检测、可编程负载、测评系统 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rs y s t e m sp e r f o r m a n c eo fh a n d h e l dt e r m i n a ld e v i c e si sv i t a lt ot h es t a b i l i t y , u t i l i z a t i o no f e n e r g y , l i f ec y c l eo fp r o d u c t , e t c i t sn e c e s s a r yf o rt h ee n g i n e e r st ol e a r na b o u tc h a r a c t e rp a r a m e t e r so f p o w e rs y s t e mi nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t , t h a t sw h yt h et e s ta n de v a l u a t i o ns y s t e mi s b u i l t t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n to ft h ep o w e rs y s t e mr e q u i r e sm a n yi n s t r u m e n t s 。l o n gt i m e ，a n dw i t ht h e d i s a d v a n t a g e so fr e l a t i v e l yl o we f f i c i e n c ya n de x p a n s i b i l i t y , s oi t su r g e n tt od e s i g nas y s t e mo f h i 曲 e f f i c i e n c y , h i 曲p r e c i s i o na n dm o r ea u t o m a t i c ni si n t e n d e dt om e e tt h en e e d so fp o w e rp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n ti nh a n d h e l dd e v i c e s a tf i r s t , i t i n t r o d u c e st h ep o w e r m a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya n dt h e o r ya p p l i e di nh a n d h e l dd e v i c e s a c c o r d i n gt ot h e e n g i n e e ra p p l i c a t i o n , i ti sb u i l tb a s e do nm e a s u r e m e n to fp o w e ri ce u p 3 4 0 6 t h eh a r d w a r ep l a t f o r m c o n s i s t so fp r o g r a m m a b l ep o w e rs u p p l y , c u r r e n tm e a s u r e m e n tm o d u l e ，p r o g r a m m a b l el o a d , d a t a a c q u i s i t i o nb o a r d ，p e r i p h e r a lc i r c u i te t c t h ep r o g r a m m a b l ep o w e rs u p p l yr e a l i z e st h es y s t e mp a r a m e t e r s t e s tu n d e rt h ec o n d i t i o no fp o w e rp u l s e i t sv o l t a g es e t t i n gr a n g ei s0t o6 v w h i l ec u r r e n ts e t t i n gr a n g ei s 0t o8 0 0 m a p r e c i s i o no fo u t p u tv o l t a g ei s 士0 12 a n dt h eo u t p u tr e s i s t o ri s1 6 0 0 q c o n s i d e r i n g h a n d h e l dd e v i c e sa p p l i c a t i o n , t h ec u r r e n tm e a s u r e m e n tm o d u l et e s t st h eq u i e s c e n tc u r r e n ta n de f f i c i e n c y o fs y s t e m t h ec u r r e n tr a n g ei s3 0 0 u at o6 0 0 m aa n dt h em o s te r r o ri s - 7 0 w h i l et h ec u r r e n t m e a s u r e di sa b o v e1o m a t h ep r o g r a m m a b l e1 0 a ds i m u l a t e st h ed y n a m i cl o a d w i t hc o n s t a n tc u r r e n t r a n g ef r o m0t o6 0 0 m aa n dt h ep r e c i s i o no f 8 2 t h es i g n a l sa c q u i r e db yd a qb o a r da n d p e r i p h e r a lc i r c u i ta r ep r o c e s s e db yt h es o f t w a r ep l a t f o r m d i s p l a y e di nt h es c r e e n t h es y s t e mi s d e s i g n e da n dv a l i d a t e di ne v e r yp a r t a n dt h e na s s e m b l e da n dd e b u g g e d t h r o u g ht e s ta n dv e r i f y i n gb a s e do np o w e rs y s t e me u p 3 4 0 6 ，t h et e s ta n de v a l u a t i o ns y s t e mi s s t a b l ea n dm e e t st h en e e d s o fe n g i n e e ra p p l i c a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e s ts y s t e m ，t h e p r o g r a m m a b l ep o w e rs u p p l yi ss m a l l e ra n dc o n s u m e sl e s se n e r g y , w h i l et h ep r o g r a m m a b l el o a di sf a s t e r a n ds m a l l e r ；m e a n w h i l ei tr e a l i z e st h es w i t c h i n go fc o n s t a n tc u r r e n tl o a d s t h et e s tj n s tt a k e saq u a r t e r i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a ls e v e r a lh o u r s o nt h ew h o l e ，t h ef u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r e b e t t e rt h a nt r a d i t i o n a ls y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n to fh a n d h e l dd e v i c e ，s w i t c h i n gp o w e r ， p r o g r a m m a b l ep o w e rs u p p l y ，c u r r e n tm e a s u r e m e n t ，p r o g r a m m a b l el o a d ， s y s t e mo f t e s ta n de v a l u a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：蓝：望鱼日期：沙8 红冯 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：j 筮堂吐导师签名：陋日 期： 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 电子信息产业的快速发展深入地影响着人们的信息获取、交流以及日常生活和娱乐方式，其中最显著 的体现是面向个人应用的手持类终端电子产品的迅速普及，如手机、个人影音娱乐产品和便携式g p s 导航 仪等等。这些面向最终消费者的电子产品的一个重要特点是其生命周期较短，产品更新换代的速度很快， 且随着技术的发展和进步，产品的性能价格比越来越高。因此，随之带来的必然是巨大的市场需求。以手 持式导航设备为例，水清木华研究中心报告显示，2 0 0 6 年西欧p n d 产品的总销量达到7 4 0 万套，2 0 0 7 年 将上升到1 1 8 0 万台。就中国消费电子市场而言，截至2 0 0 6 年底中国仅手机用户已超过4 5 亿，并且近两 年每年新增和更换手机的用户超过一亿。 面对手持终端产品巨大的市场需求，各大公司加大投入进行研发，以期在竞争中争夺更大的市场份额。 产品的功能和性能因而成为企业的核心竞争力。电子产品除了复杂多样的功能外，高性能也是一大要求， 系统稳定性便是其重要体现之一。而电子产品的电源系统作为其产生、变换、调节和分配电能的部分，为 电子设备各个功能模块提供安全可靠的能源供给，手持设备电源的性能直接影响着系统运行和使用的稳定 性，能量的利用，电子设备的寿命等，因此对系统电源进行测试和评估有着十分重要的意义。针对电源管 理芯片而言，其文档往往提供了产品的整体参数，但其部分参数是在特定条件下测试得到的较为理想的数 值，而针对手持产品研发，应该根据工程应用需要对其参数重新测试、分析和评估。由此整理而成的测试 文档对电子产品研发工程师才具有较大的参考价值。 传统针对手持产品电源的测试往往是通过连接分离仪器的方法进行。针对以电源芯片为核心的电源系 统而言，主要测试其静态电流、转换效率、输出纹波等静态特性，以及电源传输响应，负载传输响应等动 态特性。使用的设备主要有稳压电源、示波器、滑动变阻器、电压表、电流表和机械开关等。这种测试方 法固然能实现测试目的，但其存在的缺点是：使用仪器众多，工作量大，效率较低，测试精度不高等。 本文正是基于这一背景下，以手持终端电子产品电源系统性能测试为需求，以构建自动测评系统为目 标，进行系统硬件平台的构建和设计。自动测试评估系统较传统测试，省去众多仪器，用系统自带的编程 电源和负载来模拟电源激励和负载瞬变响应，而且电子开关的使用，减小了以往机械开关带来的误差。本 论文以可编程电源，电流检测模块，可编程负载的设计为重点，结合数据采集卡和外围电路，构建测评系 统硬件平台。将采集后的数据通过软件平台处理后进行分析和显示，从而实现了电源系统完整的测试评估 功能。 1 2 论文的工作内容和意义 本论文的主要工作是以手持式导航产品电源系统性能测试评估为需求，结合虚拟仪器软件平台设计一 台测试评估系统，实现电源系统测的试评估功能。硬件平台分为可编程电源、电流检测电路、可编程负载、 数据采集卡和外围电路等模块。系统构建过程中先分块设计和验证其功能，再进行整机调试改进。整机结 构如图1 1 所示。 东南大学硕士学位论文 吣矽 硬件平台 图1 - 1 测评系统框图 具体的研究工作包括以下几点： 分析在手持设备电源中的各种直流电压变换技术及特点，着重分析了在系统主电源中应用越来越 广泛的开关电感式电压变换电路的工作原理及其工程应用中关注的各主要参数及其测试方法。 通过查阅资料与文献，对测试系统和各测试模块的功能作了整理与归纳，并对测试参数做出阐述。 分析论文所选用各模块的电路结构及其功能优劣，并根据工程应用及需求选择结构，进行功能设 计，并通过调试、优化来改进测评系统的性能。 使用设计的系统对以电源芯片为核心的电源系统进行测试评估，并与以往测试以及资料文档比 较，分析查找误差原因，进而进行改进。 1 3 论文的组织结构 全文分六章： 第一章：绪论介绍论文背景、研究工作及论文的主要内容。 第二章：介绍手持设备中电源管理的各种实现技术，包括低压差线性稳压器和直流电压变换技术，其 中对开关电感式电压变换器做了较为详细的介绍。 第三章：介绍测试方案与参数，主要阐述了传统测试系统结构，芯片的静态、动态参数概念，并以电 源芯片实例反映出测试重点。 第四章：是论文的重点，介绍了测评系统的构建和功能实现。通过分析各模块的具体功能，电路结构 的优劣和选择，进行电路结构设计，主要介绍硬件平台的实现。 第五章：系统的测试与分析。系统各功能模块的性能通过测试验证，运行稳定，性能良好。并使用此 测评系统测试电源芯片，其结果较传统方法更优。最后分析了误差产生原因和改进之处。 第六章：总结与展望，总结全文的工作，展望了将来的研究方向。 2 第二章手持设备的电源管理 第二章手持设备的电源管理 2 1 电源管理技术 电源管理( p o w e rm a n a g e m e n t ) 技术从出现至今已有几十年的历史。2 0 世纪7 0 年代国际上发生能源危 机后，电源管理技术受到世界各国电源专家极为广泛的关注。2 0 世纪8 0 年代，移动电话、笔记本电脑得 到推广应用后，为了延长这些设备中蓄电池工作时间，各国专家对电源管理技术进行了深入的研究，取得 许多重大成果。 目前，电源管理已经成为电子系统中必不可少的技术。由于采用了先进的电源管理技术，手持导航设 备、手机、笔记本电脑等产品得到了广泛应用。 电源管理应用于不同的场合，目前较常见的定义是：电源管理是按时间顺序对电子系统的电流和电压 进行管理的技术。对一般手持设备而言，可以划分为电池管理系统和电压变换电路等子模块。 2 1 1 手持设备对电源的要求 手持设备的快速增长，推动了电源管理技术的快速发展，同时对电源提出了更高的要求，主要包括以 下几点： 1 体积小，重量轻，效率高 手持设备的主要特点是体积小，重量轻。为了与主机相适应，这类产品的电源部分所占用的体积必须 很小，重量很轻。为此，这类产品普遍采用高效率开关型d c d c 变换器模块，将输入电压变换为各部分 电路所需的不同电压。目前开关型d c d c 变换器模块的功率密度非常高。每立方英寸可达9 6 w 以上，电 源变换器模块的效率也可达9 0 以上，重量也特别轻。为了提高效率，手持设备也常用超低压降线性稳压 器，其输入输出电压差目前可低到3 0 0 m v 以下。 手持设备一般采用锂离子电池供电，因其能力密度可达3 6 4 w h l 和1 7 3 w h k g ，远远高于其他类电池。 为提高其供电效率，延长电池供电时间，手持设备通常采用先进的电源管理技术。如待机状态下，控制系 统切断部分电路的电源，以便节省电池的能量。 2 低噪声，低纹波，低压降 如果电源电压的纹波较大，手持设备通信电路的性能将大大降低。对一般电路而言，纹波过大，将严 重影响系统运行的稳定性，甚至造成系统重新启动或关机。因此，在对电压有较高要求的场合，通常都采 用低压差线性稳压器供叫。 2 1 2 手持设备电源系统组成 手持设备电源系统的基本组成如图2 1 所示，主要包括两大部分：电池管理系统和电压变换电路。电 池管理系统由电池、充电电路、锂电池保护电路、电池容量监控电路组成。手持设备常用锂离子电池，应 用中还须采用锂电池保护电路，以防止电池因过充电、过放电、过电流、过热而损坏。此外，还需实时掌 握电池现有容量。 手持设备往往需要多种工作电压，常用的电压有1 8 v 、2 5 v 、3 3 v 、5 v 等，这些电压不可能都由电 池提供。电池只能提供一种电压，如采用3 6 v 锂离子电池，其他各种电压必须通过d c d c 变换器提供。 为了提高电压，通常可采用升压d c - d c 变换器，功率较小时，也可以采用充电泵；需要降低电压时，可 采用降压d c d c 变换器。有时，还需要改变电压极性，如从正电压变为负电压，此时必须采用反相d c d c 3 东南大学硕士学位论文 变换器。手持设备对某路电压的精度和纹波要求较高时，在直流变换器的输出端还必须加入低压差线性 稳压器。图2 2 给出了一款手持g p s 导航仪的主要模块的电源需求。 副掣充电 交流市电l 电路 电池保护 电路 锂离子 电池 升压d c d c 变换器 负载 电路l 糍誉h 低曩差笋h 负载电路3变换器i稳压器厂 必飘世明。 臀h 负载电路2 变换器i “。师 电池容量 监控电路 图2 1 手持设备电源系统的基本组成 图2 2 某型号手持g p s 导航仪主要功能模块电源需求 电压变换电路和电池管理系统是手持设备电源管理系统的两大模块。其中，电压变换电路主要负责对 未稳压的电池电压进行调节以满足不同的负载要求，为整个系统中各模块的工作提供稳定的电压源。目前 电压变换的实现主要有低压差线性稳压器( 1 0 wd r o p o u t ) 和直流电压变换技术等类型。在这些技术之间的选 择面临着在总体成本、效率、集成度、设计灵活性以及体积、封装等诸多方面进行权衡的问剐2 1 。 2 2 电压变换电路 手持设备不管是由交流市电经过整流( 和交流适配器) 后供电，还是由电池供电，工作过程中电源电 压都将在很大范围内变化。比如单体锂离子电池充足电时的电压为4 2 v ，放完电后的电压为2 3 v ，范围 变化很大。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化( 允许变化士2 0 ) 的影响，还受负载变化的影响。 为了保证供电电压稳定不变，几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。有些小型电子设备还要求电源非常 干净( 无纹波、无噪声) ，以免影响电子设备的正常工作。近年来，各种电子设备几乎都采用效率非常高 的开关稳压电源供电，但这种电源的纹波电压较大。为了满足电子设备对电源电压的较高要求，应在开关 电源的输出端加入线性稳压器，以实现有源噪声滤波。 4 第二章手持设备的电源管理 2 2 1 低压差线性稳压器 低压差线性稳压器l d o 的基本电路如图2 - 3 所示，该电路由串联调整管v t 、取样电阻r 1 和r 2 、比 较放大器a 组成。取样电压加在比较器a 的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压u r 。f 相比较，两者 的差值经放大器a 放大后，控制串联调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压u 咖降低时，基准电 压与取样电压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输出电压升高。 相反，若输出电压u 咖超过所需的设定值，比较放大器输出的驱动电流减小，串联调整管压降增大，从而 使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应 速度的限制。输出电压u 叫与输入电压u i n 之差的最小值u d 0 ( m i n ) 等于调整管的最小饱和压降u 哪。该压降 通常为0 3 0 6 v 。 图2 3 低压差线性稳压器的基本电路 串联调整管也可以采用m o s f e t ，基本电路如图2 _ 4 所示。图2 4 ( a ) 所示为采用p 沟道m o s f e t 作串联调整管的线性稳压器，该稳压器中，输出电压与输入电压之差的最小值u d 0 ( m i n ) 等于串联调整管u t l 的导通电阻r d s ( o 。) 与输出电流的乘积i 叫，即u d 叫m i n ) = r d s ( o b ) * i 叫。由于许多p 沟道m o s f e t 的导通电阻 r d s ( 佃爿e 常小，所以当输出电流较小时，这种线性稳压器的输出输入电压差很小。与双极性p n p 晶体管相 比，p 沟道m o s f e t 的管芯面积较大，因此价格较高。此外，当输入电压噪声干扰较大或输出电流变化范 围较宽时，p 沟道m o s f e t 要求的驱动电流较大。 图2 - 4 采用m o s f e t 的低压差线性稳压器 采用n 沟道m o s f e t 作串联调整管的低压降线性稳压器如图2 4 ( b ) 所示。在该稳压器中，最小输 出输入电压差u d o 也等于v t l 的导通电阻r d s ( 、与输出电流i o m 的乘积。与p 沟道相比，n 沟道m o s f e t 的管芯面积较小，输出电流较大时，线性稳压器的成本较低。这种稳压器的控制电路较复杂，所用分立元 件较多，现在通常直接使用集成控制电路。实际的线性稳压器还具有很多其他的功能，如负载短路保护、 过压关断、过热关断、反接保护等，而且当输入电压超出规定范围时，还应当发出故障指示信号j 。 5 东南大学硕士学位论文 目前手持便携应用中的低压降线性稳压器采用诸如芯片级的超小型封装，大小仅为几平方毫米，而且 多采用芯片内置的频率补偿方案，使得传统的依赖输出电容的e s r 产生的零点( z = i ( r e s r c o 吲) 来提高 稳定裕度不再成为必需，所以能够实现输入和输出只采用低e s r 的陶瓷电容器的解决方案，所以成本较低， 输出纹波更小，多用于模拟或r f 等对噪声更加敏感的部分，静态电流小也是它的突出优点。它需要的外 接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。新的低压降线性稳压器线性稳压器可达到以下指标：输出噪 声3 0 “v ，p s r r 为6 0 d b ，静态电流6 “a ，电压降只有1 0 0 m v 。其缺点是只能降压输出，且压差大时效率 较低。( 效率玎= 形，。慨，) 。在实际设计中选择低压降线性调节器时，需要考虑的输入电压范围、预期输出 电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。但是，手持设备应用需要考虑更多问题。接地电流或静态电 流( i g n d 或i q ) 、电源波纹抑止比( p s r r ) 、噪声与封装大小通常是为便携式应用决定最佳低压降线性调节 器选择的要素。 2 2 2 直流电压变换技术 手持设备往往需要多路电压，由图2 2 可知，系统需要1 8 v 、3 3 v 、9 v 、+ 1 5 v 和+ 2 0 v 等。为满足 这些需求，就需要通过d c d c 变换器供给。根据输入电路与输出电路的关系，d c d c 变换器可分为不隔 离式d c d c 变换器和隔离式d c d c 变换器。在不隔离变换器中，根据输入与输出电压的关系有可分为降 压型、升压型、升压降压型和反相型d c d c 变换器。常用的隔离式变换器根据电路工作特点可分为单端 反激、单端正激、双端推挽和双桥式d c d c 变换器。 为了减小d c d c 变换器的体积和重量，必须提高开关频率。但是开关频率提高后，变频器的开关损 耗增大，效率降低，同时，电路中的寄生电感和电容将产生很高的尖峰电压和浪涌电流，使电磁干扰增大。 为克服这些缺点，近年来开始采用由零电压开关或零电流开关组成的谐振型d c d c 变换器。 对手持设备而言，其常用的直流变换技术还包括开关电感式d c d c 变换器和开关电容式d c - d c 变换 器，下面分别对其原理和结构进行介绍。 2 2 3 开关电感式电压变换器 开关电感式d c d c 变换器是用半导体功率器件作为开关，利用电感作为储能元件将负载线路与源电压 一会相接，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压，类似于斩波的原理。以降压的斩波变换为例，开 关在周期方波的控制下间歇性地开合。通过将输入直流电源进行变换，再经储能滤波单元，得到输出的平 均直流电源u o = d * u i ，式中d 为控制方波的占空比，即开关导通占控制方波的周期的比例。通过调节占空 比d ，可实现对u o 的控制。通常调节占空比方式有两种，一种为p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 调节，维 持控制方波的周期不变，改变开关导通时间；另一种为p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 调节，维持开 关导通时间不变，改变控制方波的周期。p f m 调制的缺点是：容易产生谐波干扰，滤波器设计也比较困难。 由于半导体功率器件工作于开关状态，所以其功率损耗相比于线性l d o 的调整管的m o s f e t 要小得 多，故开关d c d c 的转换效率很高，一般能达到9 0 左右。高效率是开关电源取得广泛应用的最主要原 因，尤其在手持设备环境的低功耗要求下。 开关电感式d c d c 变换电路主要包括功率级和控制电路两部分。功率级电路包括： 1 功率半导体开关，常为功率m o s f e t ( 或集成于控制i c 中) 和续流二极管； 2 l ，c 储能滤波单元。 控制电路在手持设备中的开关电感d c d c 变换中一般为集成的控制器i c ，完成对输出采样( 通过外 部电阻网络或控制i c 内集成的电阻网络实现采样) ，实现产生控制开关操作的占空比d 的负反馈回路。 根据功率级中开关和l ，c 储能滤波单元间不同的拓扑连接结构，不仅可实现降压变化( b u c k ) ，还可 实现升压型( b o o s t ) 、升压降压型( b u c k b o o s t ) 等几种类型的d c d c 变换。具体结构形式如图2 5 所示： 6 第二章手持设备的电源管理 降压型 ( a ) 升压型 ( b ) 升压一降压型 ( c ) 图2 5 常见开关电感式电压变化功率级拓扑结构 在手持设备中b u c k 型变换器用得最为广泛，所以将以b u c k 电路为例详细分析电路的工作原理以及控 制电路部分的分析。 在进行稳态特性分析前，为简化分析，做以下几点假设【3 j ： 1 开关管，二极管均是理想元件，即导通时压降为零，截止时电流为零； 2 电感，电容是理想元件。电感工作在线性区而为饱和，寄生电阻为零，电容的e s r 为零； 3 数学运算时输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到可以允许忽略。 一般工作情况下，电感电流在一个开关周期内连续，称为c c m ( c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ) 工作 模式，当负载电流很小时，开关电流不再连续而进入一种d c m ( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ) 工作模 式，下面以c c m 为前提进行分析并给出二者的临界条件。 b u c k 电压变换器电路如下图2 - 6 ，开关s 由功率m o s f e tm 1 取代，d 代表m 1 导通的时间t o n = t s * d ， 其中t s 为开关控制方波的周期，d 为占空比。稳态工作时的两种状态分别如图2 - 6 中所示： 图2 - 6 中箭头为电流流向：在o n 状态，输入电压通过电感l 对电容c 充电同时向负载供电，电感电 流i l 线性增加，到i l i o 时，电容由放电变为充电，直到开关断开，进入o f f 状态，由于l 的感应电动势， 二极管d 导通，电感向负载放电，维持负责的连续工作，电感电流随之下降到i l 7 s w 2 1 e n i f r 。堂 c 3 r i o d 2 l l 、 g n d 1 0 u f r l o a d i _ l 图3 - 11e u p 3 4 0 6d e m o 动态测试电路图 2 测试波形和数据 s t a r t - u pf r o mv m & e n ( v i n & e n = 0 - - s v ；v o = 3 3 v ) _ ，一。，一 k 一僦心砸r 一，嘶。谠7 l o a d s t e p ( i o = 0 - - 6 0 0 m a ；v o = 3 3 v ) i：j：j i “ ： i “ 1 讹1 咖m 1 舯商咖一 s t a r t u pf r o ms h u t d o w n ( v o = 1 4 v ，t ( o f f ) = l s ；“o n ) = 3 2 0 u s ) a 让铋嘲w1 m 铷脚“a 位， l 0 a ds t e p ( i o = 6 0 0 - - 0 m a ；v o = 3 3 v ) j ； i “盹洲m 1 舯以_ k “h “甜眨： 东南大学硕士学位论文 l o a ds t e p ( k = 2 0 一 1 0 0 q tv + r彳 7 v s g q 。上l l _ 1 - 图4 8 电流检测电路 当i l 为百微安的电流时，按图4 8 的阻值配置，v 溉= 1 0 i l ，其值为数毫伏，此数据可由模拟输入电 压范围为士5 v 的1 2 b i t 分辨率的u s b 2 0 1 3 采集。在更小电流检测时，可以增大i 玛，输出电压将提高，但 要注意不要超出数据采集卡模拟输入范围，而且须满足v t 喇i 矗i ， l 。岁i - s v 谛 1 0 0q l r l h u n 渤n t 3 5 n 3 0 2 p d ld 2 r l2 3 5 n 7 0 7 f d n 3 3 5 j 芬 0 测评系统主板整体架构图 第五章测评系统分析与测试实例 第五章测评系统分析与测试实例 5 1 系统功能模块性能测试 测评系统硬件部分由可编程电源、电流检测电路、可编程负载、数据采集卡等几部分模块组成。其中 可编程电源为用于手持设备的电源芯片提供输入，目标为输出电压范围0 5 5 v ，输出电流范围0 - - - 6 0 0 m a ： 电流检测电路主要用于测试芯片的静态电流( q u i e s c e n tc u r r e n t ) 和工作电流；可编程负载模拟手持设备运 行过程中的动态变化，检测电源芯片的稳定性。主要针对设计的这三个模块进行性能测试。 5 1 1 可编程电源模块 可编程电源电路如图5 - 1 所示。通过在v p w r 端设置电压，从t i p 4 1 c 牵引电流，来保证负载端的动态 变化。继而通过s w 开关端的电平控制，来选通p m o s ，n m o s 中的一个，进行电源电压的编程。由表5 - l 负载变化时输入输出电压表可知，负载在大范围内动态变化时，输出基本保持稳定。 图5 1 可编程电源电路图 表5 1 负载变化时输入输出电压表 i l o a d ( m a ) v s e tv o 3 23 3 0 83 3 0 5 6 73 3 0 83 3 0 5 1 0 53 3 0 83 3 0 6 1 4 93 3 0 8 3 3 0 6 2 2 33 3 0 83 3 0 5 3 1 53 3 0 83 3 0 4 4 0 33 3 0 83 3 0 5 5 6 13 3 0 83 3 0 4 3 7 东南大学硕士学位论文 5 1 2 电流检测模块 6 3 0 3 3 0 83 3 0 4 i l o a d ( m a ) v s e tv o 5 2 4 9 9 6 4 9 9 3 1 0 7 4 9 9 6 4 9 9 4 2 1 6 4 9 9 64 9 9 4 3 4 7 4 9 9 64 9 9 3 4 6 9 4 9 9 64 9 9 4 6 0 8 4 9 9 64 9 9 3 7 1 34 9 9 64 9 9 3 8 0 24 9 9 64 9 9 2 电流检测电路如图5 2 所示。其v m 端连接在可编程电源电路的输出端，其v o u t 端连接待测电源芯片 d e m o b o a r d 。通过检测v t e s t 端的电压，可以得出流过检测电阻r 1 的电流。由图5 3 可知，当负载由 1 0 m a 4 5 9 m a 变化过程中，v t e s t ( v i n - - v o u t ) 所反映的电压放大倍数较稳定。 v i n r l 1 1v o u t = 图5 - 2 电流检测电路 表5 2 检测电流表 一v | o u t ( m v )v t e s t ( m v )v t e s t ( v - m v o u t ) o 65 0 98 4 8 3 l 9 0 8 9 0 8 0 21 9 0 49 5 2 0 1 0 91 0 8 89 9 8 2 1 4 3 8 1 4 3 69 9 8 6 1 0 39 5 7 9 2 9 1 1 9 41 8 l o9 3 3 0 4 0 14 0 0 09 9 9 8 4 5 94 5 9 01 0 0 0 0 其中r 1 = 1 q ，1 1 2 = 1 0 0 f l ，r 3 = 1 k q ，v m = 5 0 0 v 。 第五章测评系统分析与测试实例 5 1 3 可编程负载模块 图5 3 电压放大倍数 可编程负载电路如图5 4 所示。通过在v s e t 端设置电压来设定负载电流值。继而通过s w 开关端的电 平控制，来选通p m o s ，n m o s 中的一个，进行不同负载间的切换。由图5 5 知，当负载电流在1 0 m a 以 上变化过程中，负载电流实测值和理论值一致性较好。 图5 - 4 可编程负载电路 表5 3 设置电压负载电流表 v s c t ( v )实测值l ( n a )理论值i ( i i 认) o 25 25 2 2 0 51 2 91 3 0 5 0 9 92 5 5 62 5 8 5 1 5 0 0 3 8 3 93 9 1 6 3 9 东南大学硕士学位论文 零 测 强 副 趔 嚣 嗣( 2 0 05 1 25 2 2 2 2 5 06 4 0 6 5 2 7 3 o o7 5 0 7 8 3 3 3 5 0 08 5 29 1 3 9 其中r s l = 3 8 3 q ，v m = 3 8 0 v 。 v s e t ( m v ) 实测值i ( m a ) 理论值i ( n 认) 2 9 7o3 1 3 9 81 0 5 51 0 3 3 2 01 9 1 52 1 0 7 2 3 62 4 0 92 4 8 7 3 2 73 2 13 4 4 6 5 0 1 5 3 05 2 7 9 7 3 9 7 7 47 7 8 7 8 8 68 5 99 3 3 6 9 7 91 0 2 41 0 3 1 6 9 8 o1 0 2 81 0 3 2 7 1 0 5 9 1 0 5 4 1 1 1 5 9 1 5 0 81 5 1 6 1 5 8 9 0 2 0 2 32 0 6 62 1 3 1 7 2 9 7 83 1 1 53 1 3 8 0 4 0 7 64 2 14 2 9 5 0 5 0 7 95 3 25 3 5 1 9 6 0 0 36 2 36 3 2 5 6 6 5 66 9 06 9 1 2 5 其中r s = 0 9 4 9 t 2 ，v m = 3 3 0 v 。 负载电流实测值和理论值一致性r s l = 3 8 3 q ，v i n = 3 8 0 v 一 i 、1 、，、_ ， 一 ， i l 鸯 p 紧p 梦梦梦 v s e t m v ( a ) 阳；约0 第五章铡评系统分析与测试实侧 5 2 系统测试实例 自# 自 $ 月目值一斯融= o9 4 9 0 ，v i n = 3 3 0 v ( b ) 图5 5 负载电流实测值和理论值一致性 由以上模块构成的测评系统硬件结构和软件平台结合后运行较稳定，性能良好。因此使用本剥评系统 对e u p 3 4 0 6d e r a o b o a r d 进行测试，并与芯片文档i ”1 对比。实验设定芯片输 电压v i n = 5 v 输出v o u t l3 5 v 。 ：11 ：二：茹湍一。 图5 - 6e u p 3 4 0 6 输 输出特性曲线 图5 - 6 为e u p 3 4 0 6 输入输出特性曲线，由图可知输入电压升高( 14 v 到16 v ) 过程中，输出电压产 生突变，上冲5 0 m v 。图5 7 为实铡芯片效率曲线圈，与文档中显示的趋向相一致t 但其效率偏高，分析 可得，主要是由电阻不匹配引起。 阳5j拍0 南大学碗学位论文 致 图5 7 e u p 3 4 0 6 效率曲线图( v m = 5 v ，v o u t = i3 5 v oo | o | oooooo 曼釜必 | ! li 蚴 一吐一；形 1 0 ， ，4 儿r 磁 第五章测评系统分析与测试实例 5 3 系统分析 v o 耵t 1 0 0 m v ，d a cc o u p l e d i l 刮如m a ，d i l o i 野吣m 加i i 、? 5 3 1 寄生效应等因素的影响 - 7 v 一 一 j d i - - 岫_ t _ 鼬_ 一- 村_ _ - 弭啊日_ - 唧霸_ 啊啊唧印啊_ 删卜谰删 u rl 一 、h ；，6 v2 0 p i d d i v v o t r r2 1 8 v - 2 m at o6 0 0 m a 图5 1 0e u p 3 4 0 6d a t a s h e e t 瞬态响应图 首先以可编程电源为例分析寄生效应以及器件选型对模块性能的影响。图5 1 1 所示为电源输入阶跃时 的寄生效应【3 4 】，包括输入输出电容、m o s 晶体管、导线等。其中寄生电感、电阻和电容限制了电路产生 低噪的阶跃函数。为了源出或吸入大电流，必须尽可能降低p c b 、m o s 管和电容的等效串联电阻。具有 大电容、低电阻电路的阶跃响应为欠阻尼，使得m o s 管之间的节点处和电源输入的节点处产生电感、电 容自激。虽然电感无法降至0 ，但是可降到一定值，使谐振频率足够高，使瞬态上升和下降时间可以忽略。 较快的输入瞬变是通过两个低r d so n 、n 沟m o s 在两个直流电源间切换产生，如图5 1