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1、电源测试基础1.综述电源的本质是把其他形式的能转换成电能的装置，也是向电子设备提供功率的装置。我们所说板上电源是指将外部供给的单电压或者双电压的直流电源，转换成单板正常工作所需要的各种电压的直流电源，也就是单板的供电系统，即电源树。近年来随着硬件器件的高速发展及更新换代，对供电的要求大幅提高，所以电源对整个系统的稳定性起着越来越重要的作用。因此在研发，生产，检验过程需要对电源的重要指标进行大量的测试。板上电源主要的测试的指标包括稳压值、纹波、启动冲击电流、上下电波形、上电时序、单板功耗及其它相关指标等。下面就将对板上电源的各个指标及测试方法进行详细介绍。2.测试指标及测试方法2.1电源的稳压值
2、测试电源稳压值是按照用电设备的需求输出的稳定电压值。本项测试目的是测试单板满负载工作时，各个电源网络输出的电源稳压值是否符合器件工作条件的要求。测试方法：单板上电之后，使用万用表测试电源模块输出端口的稳态电压。如果是含有CPU，子卡，网络处理器等单板，需要进一步测试满负荷情况下的电源模块输出值。判断准则：测试的电源模块的输出电压和整定值的误差范围在理论输出值的X%以内。（为电源标称的输出值或者理论输出值，X%的具体值须按照负载本身最严格的要求）。测试用例：UBPG1单板硬件测试中，用万用表在芯片FPGA(C222)处测量VCC2.5V的电压值，实测值为：2.5174V，判断符合要求的范围是在2
3、.475V2.525V内，本电压值符合要求。2.2电源的纹波测试纹波(ripple)的定义是指在直流电压或电流中，叠加在直流稳定量上的交流分量。电源输出纹波主要来源于五个方面：输入低频纹波；高频纹波；寄生参数引起的共模纹波噪声；功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声；闭环调节控制引起的纹波噪声。它主要有以下害处：容易在用电器上产生谐波，谐波会产生更多的危害；降低电源的效率；较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器；会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。本项目测试的目的是对负载点的电压纹波进行测试，以保证能符合器件工作条件的要求。
4、测试方法简述：示波器使用交流AC档测试，以20M示波器带宽为限制标准，单板满负荷运行条件下，观察示波器的峰峰值（PK-PK值）。去除示波器探头上的接地线夹与套钩，将示波器插头的保护地悬空。在单板上电源模块的输出端的滤波陶瓷电容或者关注的芯片就近的去藕电容上焊接一根尽量短的接地金属针，或者在测试的时候将金属针缠在探头的接地套上，在输出端的滤波电容的两端直接用探头进行测试。测试方法的要点说明：（1）示波器使用交流AC档测试：纹波是叠加在直流信号上的交流信号，所以，我们要测试纹波信号就可以去掉直流信号，直接测量所叠加的交流信号。通道耦合方式就可以直接选择交流耦合。（2）以20M示波器带宽为限制标准：
5、由于电源的开关噪声以及谐波一般在20M以内，所以20M以内的纹波和电源的干系较大；20M以上的受单板时钟以及PI设计的影响较大，过高的带宽往往会干扰影响测量结果。对于一些有核电压区别的负载，不一定是要按照20M限制进行测试，有纹波带宽测试需求的这类芯片，测试点是要选择在负载供电电源的退藕电容旁边，靠近负载端进行测试，带宽的具体要求要查看器件手册，如要求100M或者150M，就按照器件的要求进行带宽限制。（3）去除示波器探头上的接地线夹与套钩：由于模块电源内部存在大电流的开关切换，使得模块附近存在有较强的辐射场，即使模块有金属外壳屏蔽，通过模块输入、输出线也会有部分辐射场。如果直接将探头接线夹和
6、套钩接在测试点上，则接线夹及其连线会和探头构成很好的环状天线，该天线拾取的辐射噪声会叠加在真实的纹波上，使测试结果要比真实值大很多。去掉探头接地线夹和套钩则可以显著减小天线效应。（4）将示波器插头的保护地悬空：电源模块输出端存在着一定的共模电流，共模电流流经导电通路时会产生电压差，当两个共模电流回路对地阻抗不一致时，共模电流就会产生差模电压，即使去掉电压探头的接地线夹和套钩，由于探头及示波器内部去线、回线对地阻抗的不一致，共模电流仍会对纹波（差模）测量产生影响。需要注意的是，采用示波器插头的保护地悬空的方法时，要保证示波器机壳跟内部危险电压电路间能满足加强绝缘或者双重绝缘的要求，否则会存在危险
7、。对于我们试验室使用的示波器TDS3054B测量纹波时，可以考虑简单使用此方法。在不能保证的情况下不能将示波器的插头保护地悬空，应采用以下的方法解决：在示波器的探头线上缠上一个磁环，构成共模电感；或者采用原副边耦合电容很小的隔离变压器给示波器供电。（5）在输出端的滤波电容的两端直接用探头进行测试：对于测试点上没有滤波电容的电源纹波测试时，还要在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容，以减小引入噪声影响到实际测试结果，用示波器的探针直接在电源网络和最近的接地点上进行测试。（6）其它说明：上面讲述的方法是电压信号测量法。电压信号测量纹波就是指，用示波器测量叠加在直流电压信号上的交流
8、纹波电压信号。对于恒压源，测试可以直接用电压探头测量输出到负载上的电压信号；对于恒流源的测试，则一般是通过使用电压探头，测量采样电阻两端的电压波形。判断准则：1）：对于+5.5V、3.3V、2.5V等电压相对比较大的电源，如果负载有自己的要求纹波标准，则首先要满足负载本身的要求。对于负载自己要求不是很明显的，测试电源的纹波应该在理论输出值的1%以内，（VPK为测得的纹波峰峰值，U0为电源的理论输出值）。2）对于相对比较低的电压，1.8V以下的电源，首先要满足负载本身的要求，如过负载没有详细要求，如0.9V的电压，一般以不超过一个经验值为标准，比如20mV。具体参照设计要求的标准。测试用例：UB
9、PG1单板硬件测试中，示波器使用交流AC档测试，以20M示波器带宽为限制标准，去除示波器探头上的接地线夹与套钩，将示波器插头的保护地悬空，单板满负荷运行条件下，观察到的CPU-C112A11处VCC3.3V的纹波，示波器的峰峰值（PK-PK值）。2.3启动冲击电流测试我们这里的启动冲击电流是指单板刚启动时，输入电流达到稳定状态前所通过的最大瞬间电流。板上用电器件的电源的输入一般有滤波器来减小电源反馈到输入的纹波，输入滤波器一般用电容和电感组成形滤波器。由于电容器在瞬态时可以看成是短路的，当开关电源上电时，会产生非常大的冲击电流，这个电流一般大小是额定电流的3-7倍，根据实际电路的阻抗特性而不同
10、，冲击电流的幅度要比稳态工作电流大很多，如对冲击电流不加以限制，不但会烧坏保险丝，烧毁接插件，还会由于共同输入阻抗而干扰附近的电器设备。本项测试的目的是测试实际的上电冲击电流，保证设计的稳定性。测试方法：针对单板上的内部电源回路，断开电源输出干路，一般有一个电感，可断开其任意一脚，串入导线，用示波器的电流探头夹住导线，然后给单板上电，调节示波器每格时间宽度，使其能够记录从开始上电直到电流稳定时的全部波形，读出的电流稳定前的最大电流值就是最大冲击电流。判断准则：具体要求参照设计规范的要求，没有统一的确定标准。一般测试要求是冲击电流要小于标称的1.8倍，要满足I2t要求，对于小功率的负载可以适当放
11、宽要求。测试用例：UBPG1单板硬件测试中的12V_BACK电源启动冲击电流测试。测试指标要求要求是，12V_BACK电源的冲击电流应小于19.4A，持续200mS的冲击电流要小于9.7A（uTCA规范）。如下图所示：测试方法是：断开L20的任一脚，串入导线，示波器的电流探头夹住导线，单板上电(根据实际应用的上电流程上电)，测量VCC12V_BACK的冲击电流。测试结果合格。结果如下图：2.4上下电波形测试上下电波形包括上电波形和下电波形。上电波形是指单板从开始上电到达到稳定状态时的波形；下电波形时指单板从开始下电到达到稳定的电压为零状态时的波形。测试方法：示波器探头分别接在负载供电电源的退藕
12、电容附近，靠近负载一侧，然后给单板上电，使用示波器记录上电波形。单板正常运行起来后，给单板下电，使用示波器记录下电波形。判断准则：上下电波形边沿单调，上下电电源波形过冲不超过10%，没有台阶或跌落。测试用例：UBPG1单板硬件测试中，3.3V上下电波形测试。方法是：示波器探头接到C66的VCC3.3V网络，单板上电，测量上电波形；单板下电，测量下电波形。测试通过，测试结果如下图：2.5上下电时序测试上下电时序包括上电时序和下电时序。上电时序是指在多电源电子系统中，为了保证系统在工作前正常启动，对不同电源上电先后所规定的顺序。下电时序是指在多电源电子系统中，为了保证系统在安全，对不同电源断电的先
13、后所规定的顺序。测试方法：一般可以使用两个电压探头反复比较多次可以完成多路电源上电时序比较。示波器使用双通道直流DC档，带宽不限。测试比较两个通道上电时上升波形。示波器设置单次触发，触发源选择时序在前的电源通道，触发沿设置为上升沿，触发电平调整到该通道电源稳定值的一半左右。然后单板上电即可测试上电时序。触发沿设置为下降沿，触发电平调整到该通道电源稳定值的一半左右。然后单板掉电即可测试下电时序。有多通道示波器的话，可以在几个需要测试的电源上同时加上探头进行测试。判断准则：参照负载书册要求和单板设计说明，比较上下电波形，是否满足具体电源时序要求即可。一般以电源达到稳定值的90%的电压时间差为准。需
14、要特别说明的是，对时序要求比较严格的负载，要保证常温下的时序有足够的余量，高温下时序可能会恶化。比如高温下电容的特性会发生变化，容值会偏离常温下的容值，从而使时序恶化。余量大小需参照以前类似电路的设计经验和单板设计要求。测试实例：UBPG1单板硬件测试中，DSP上电时序测试，DSP有4个电源：1.8V（DVDD1.8）、1.2V（CVDD）、1.1V（DVDD1.1）、0.9V（Vrefsstl），不同文档要求重叠处，取最严格要。TCI6487_8_SPRS358_G中要求：DVDD18和VREFSSTL比DVDD11和CVDD11提前0.5200ms；DVDD11和CVDD11比POR提前至
15、少700us；CVDD11和DVDD11相邻小于5ms。用多通道示波器测试上电时序，方法：示波器3个通道分别接DVDD18（测试点C94）、VREFSSTL（测试点C54A9）、CVDD11（测试点C102A9），测量上电时序；示波器3个通道分别接DVDD18（测试点C94）、VREFSSTL（测试点C54A9）、DVDD11（测试点C25），测量上电时序；示波器2个通道分别接CVDD11（测试点在C102A9）和DVDD11（测试点在C52A9），CVDD11从0.4V处开始计算，DVDD11从0.8V处开始计算，测量上电时序。测试记过如下：DVDD18（黄色）、VREFSSTL（红色）、C
16、VDD11（蓝色）上电时序抓图如下：图 Error! No text of specified style in document.1DVDD18（黄色）、VREFSSTL（红色）、DVDD11（蓝色）上电时序抓图如下：图 Error! No text of specified style in document.2CVDD11（蓝色）和DVDD11（红色）上电时序抓图如下：2.6电源耗流测试电源耗流是指在满负荷条件下，系统正常工作时的此电源的电流值。测试方法：断开电源输出干路，一般有一个电感，可断开其任意一脚，串入导线，用连在示波器上的电流探头夹住导线，在单板满负荷运行后，用示波器记录电流值
17、。判断准则：符合设计要求即可，主要是实际的电流大小的摸底，一般由所选择的器件决定耗流大小。测试实例：UBPG1单板硬件测试中的3.3V电源电流测试测试，方法是：断开3.3V电源输入处L15的任意一脚，在L20的管脚与焊盘间串入导线，单板上电满负荷运行，用示波器加电流探头测试。结果如下图：2.7其它指标测试一般来说，对于一块单板，我们仅测试以上的几个具体指标。在工作中，对于一些特殊的场合，可能还要测试一些其它指标，以下一些不常测的指标做些简要探讨。2.7.1单板进行电源拉偏验证测试方法：验证单板器件在供电电压偏离整定值的情况下的耐受度。可能存在破坏性。一般拉偏范围不超过整定值的5%。具体过程需要
18、更换下相应的电源模块，使用可调电源代替供电。一般来说，除非系统有特殊要求，板上电源不做拉偏测试，只做电源模块的拉偏测试即可。判断准则：在拉偏范围之内，单板依然可以保持正常工作，说明单板的器件比较可靠。当然，如果在某个点以外不能工作了，也不能说明太多的问题。只能表明该板的器件工作电压范围比较窄。2.7.2关键器件的温升测试测试方法：验证单板电源的大电流器件，如MOSFET等器件工作中的温升是否符合器件本身的数据手册要求，是否符合公司的III降额要求。具体方法是，在负载为满载情况下，输入电压分别为工作电压上限、下限和额定输入电压，分别测试关键器件壳体温度，通过壳体温度，计算相对温升。判断准则：要满足器件本身的数据手册要求，公司的III降额要求和单板设计要求。8文书#借鉴