CN104871020A - 电子负载模块和方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子负载模块和方法及其系统。该方法包括：经由数据总线连接器(202)从可连接的功率控制器接收控制数据(301)；以及基于所接收的控制数据控制(302)有源负载(203)，以经由第一输入(204)减小来自可连接的待测设备的限定电流。该方法进一步包括：利用数字控制电路(201)和可连接的功率控制器基于所接收的控制数据控制(303)有源负载(203)，以产生并且维持待测设备的环境温度。

Description

电子负载模块和方法及其系统

技术领域

本公开涉及电子负载，并且更具体地涉及被配置用于检测印刷板上的电源系统的电子负载模块以及方法及其系统。

背景技术

现代的集成电路(IC)在更低的电源电压下消耗越来越多的电能。因此，在适当电压下将转换的电能从电源单元(PSU)传送至IC的传统方式不再是切实可行的方案。这可以很容易使用欧姆定律通过简单计算而被理解：电源电压2.2V且功耗30W的IC需要约13A的电流。由于从PSU到IC的引线的阻抗，这样等级的PSU展现了较大的欧姆损耗。

一般的解决此问题的方案是将PSU放置为临近PCB上的IC并且利用经由连接器提供至PCB上的PSU的中间总线电压。如今一般还可以将功率控制器集成在PCB上，该PCB使用专用总线(诸如PMBUS)控制所有PSU。

这使得PCB包括与不同功能的电路相关的若干交织的子系统。一个重要的子系统是电源系统。电源系统必须为大功率消费者(诸如现场可编程门阵列(FPGA)电路)提供低电源电压和高电流下的稳定功率。特别是开启FPGA电路的阶段被证明是对于PSU而言十分苛刻的，这是因为通常建议以可控方式增加电源电压。

在现代PCB发展过程中，通常期望在集成为PCB上的整个系统之前分别检测每个子系统。因此，为了检测PCB上的PSU系统，电子负载需要替换诸如FPGA电路的耗电流子电路。

这种电子负载通常可以作为通过引线和连接器连接至PCB的台式(bench-top)仪器以及机架安装(rack mounted)设备而得到。

另一方面是检测PCB上的环境的影响，并且具体地PCB上的电源系统的稳定性和功能性的温度影响。

如图1所示，该环境测试通常在环境测试室中进行。该环境测试是通过使用连接至电源系统的电子负载将PCB放置在该室内进行的。该室的温度逐渐升高，直至达到期望的工作温度。之后通过开启电源系统并且改变电子负载以仿真不同的工作条件来执行电源系统的电子检测。

这种设置会出现一些问题。首先，环境测试室通常价格昂贵且体积庞大。其次，将电子负载连接至PCB的引线通常较长，从而在电子负载和PCB之间产生寄生电感和电容。该寄生影响使得难以通过电子负载正确仿真PCB上的转换速率影响。

发明内容

因此，本发明的目的是解决上述问题和缺陷，并且提供改进的电子负载模块以及系统和方法。

本目的及其他是通过根据独立权利要求的方法、电子负载模块和系统以及通过根据从属权利要求的实施例实现的。

根据一个实施例，提供了一种用于操作电子负载模块的方法。电子负载模块包括：数字控制电路，被配置为经由数据总线连接器连接至功率控制器；有源负载，可操作地连接至并且由所述数字控制电路控制；以及第一输入，可操作地连接至有源负载并且被配置为连接至待测设备。该方法包括：经由数据总线连接器从可连接的所述功率控制器接收控制数据；以及基于所接收的控制数据控制有源负载，以经由第一输入减小来自可连接的待测设备的限定电流。该方法还包括：利用数字控制电路和可连接的功率控制器基于所接收的控制数据控制有源负载，以产生并且维持待测设备的环境温度。

根据另一实施例，提供了一种电子负载模块。电子负载模块包括：数字控制电路，被配置为经由数据总线连接器连接至功率控制器；有源负载，可操作地连接至并且由数字控制电路控制；以及第一输入，可操作地连接至有源负载并且被配置为连接至待测设备。数字控制电路被配置为经由数据总线连接器从所述可连接的功率控制器接收控制数据。数字控制电路进一步被配置为控制有源负载，以经由第一输入减小来自所述待测设备的限定电流。电子负载模块的有源负载被配置为由所述数字控制电路控制，以产生并且维持可连接的待测设备的环境温度。

根据又一实施例，提供了一种电子加载待测设备的系统。该系统包括：功率控制器，被配置为控制待测设备内的至少一个功率转换器电路；待测设备的物理壳体；以及温度传感器，可操作地连接至所述功率控制器并且被配置为测量所述物理壳体内部的环境温度。该系统进一步包括：电子负载模块，被配置为由所述功率控制器控制并且被配置为布置在待测设备内。电子负载模块包括有源负载，被配置为减小来自所述待测设备的电流。电子负载模块包括有源负载，被配置为减小来自所述待测设备的电流。该系统的电子负载模块被配置为使用有源负载在待测设备的物理壳体内产生并且维持限定环境温度，以及功率控制器被配置为基于所测量的环境温度以及利用电子负载模块控制物理壳体内的环境温度。

具体实施例的优点在于使传统环境测试室变得不再必需。

附图说明

图1是负载测试系统的传统设置的示意图。

图2是本发明电子负载模块的示意性框图。

图3是图2的电子负载模块执行的方法的流程图。

图4是具有第二输入和计算机接口的电子负载模块的示意性框图。

图5是电子负载模块的有源负载的示意性电路框图。

图6是加入图5的电子负载模块的电子负载系统的示意性框图。

图7是备选电子负载系统的示意性框图。

具体实施方式

下文中，将参照特定实施例以及附图更详细地描述不同方面。为了解释而不限制本发明的目的，阐述了特定细节，诸如特定场景和技术，以便提供对不同实施例的充分理解。然而，与这些特定细节不同的其他实施例也可能存在。

图1是用于在升高的温度下执行测量的传统测量设置(一般标注为100)的示意图。该设置包括环境测试室101，可以控制其内的温度。在环境测试室101中布置有待测设备(DUT)103。DUT 103可以是PCB或者是具有内部PSU的完整设备。为检测DUT的PSU，可以适当地将电子负载102连接至PSU。为了将电子负载102连接至DUT 103，引线104布置于其间。这些引线104通常相对较厚，从而使欧姆损耗的影响最小化。

该系统的严重缺陷是由长引线104产生的寄生电感和电容。这些寄生分量使得难以对DUT 103执行精确的转换速率(slew rate)测量。

另一缺陷与测量设置自身相关。通过将电子负载102与DUT 103分离布置，在测量期间不能捕获DUT 103中的局部加热效应。

因此，如能避免这些缺陷将是非常有益的。

本公开描述了一种灵活的方法来克服传统设置系统100的缺陷。

一般地，PCB上的现代电子电路通常包括在低电源电压下具有巨大电能需求的一些电路。该电路可以是现场可编程门阵列(FPGA)。为满足来自FPGA的电能需求，PCB通常包括若干点的负载(POL)电压转换器。这些POL校准器通常经由诸如功率管理总线(PMBUS)的专用总线连接至功率控制器。功率控制器被配置为经由所述专用总线控制每个POL校准器。

图2是电子负载模块(一般标注为200)的实施例的示意性框图。电子负载模块200包括数字控制电路201，被配置为经由数据总线连接器202连接至上述功率控制器。数字控制电路201进一步连接至有源负载203。有源负载203进一步包括第一输入204，被配置为连接至DUT。有源负载203被配置为将来自第一输入204的限定电流减小到接地电势并且产生并维持可连接的DUT的环境温度。分别用于减小限定电流或产生热的有源负载203的控制是通过数字控制电流201和可连接功率控制器进行的。

电子负载模块的控制是根据图3中的流程图中公开的方法进行的。该方法300包括：

-301：经由数据总线连接器204从可连接功率控制器接收控制数据。该控制数据可以包括限定的设置温度和限定的设置电流。

-302：经由第一输入204控制有源负载以减小来自所述可连接DUT的限定电流。

-303：通过数字控制电路和可连接功率控制器控制有源负载以生成和维持DUT的环境温度。方法的该步骤使用有源负载作为加热装置用于提供必要的热能，以便使DUT达到限定的温度。

在一个实施例中，电子负载模块200可以被布置为在测试阶段期间替换PCB上的FPGA。电子负载模块200可以与为FPGA提供的热沉热接触。

在图4中，公开了电子负载模块200的另一实施例。在该实施例中，数字控制电路被配置为具有计算机接口401，被配置为连接至外部计算机。该计算机接口可以用于重新编程数字控制电路201。在一个实施例中，计算机接口是JTAG接口。

在一个实施例中包括有源负载203，第二输入400被配置用于为了加热为有源负载203提供来自外部电源的外部电能。

参照图5下文公开了有源负载203的实施例。有源负载203包括所述选择器电路501，其具有第一输入204，被配置为连接至DUT。有源负载203的第二输入400被配置为连接至外部电源用于加热。选择器电路进一步包括选择输入502，被配置为从数字控制电路201接收选择信号。

有源负载进一步包括控制输入503，被配置用于从数字控制电路201接收模拟控制信号。来自数字控制电路201的该模拟控制信号可以是由数字控制电路201的数字模拟转换器产生的。

有源负载203进一步包括MOSFET晶体管T1，其漏极连接至所述选择电路501的输出，以及其源极经由第一电阻器R1连接至接地电势。

有源负载203进一步包括运算放大器OP1，具有连接至缓冲放大器A1的输出的非反相输入。缓冲放大器A1的输入被配置为经由所述控制输入503连接至所述数字控制电路201，运算放大器OP1的反相输入经由第二电阻器R2连接至MOSFET晶体管的源极，形成反馈回路，以及运算放大器OP1的输出经由第三电阻器R3和第一电容器C1连接至运算放大器OP1的反相输入。运算放大器OP1的输出进一步连接至MOSFET晶体管T1的栅极。

下面使用第一场景和第二场景参照图5描述有源负载203的操作。

在第一场景中，由来自数字控制电路201的所述选择信号选择第一输入204。通过将控制电压施加至控制输入503，缓冲放大器A1将控制电压施加至运算放大器OP1的非反相输入。由于第一反馈分支，运算放大器调整其输出电压，以便实现运算放大器OP1的非反相输入和反相输入之间的零电压偏移。因此，MOSFET晶体管将通过其栅极的电压电势激活，其由运算放大器OP1的输出引起，使得电流经过第一电阻器R1。经过第一电阻器R1的电流使得跨第一电阻器R1的电压降低。该电压降反馈回至运算放大器OP1的反相输入。在该第一场景中，利用控制输入503处的控制电压控制经过第一电阻器R1的电流。

在第二场景中，由来自数字控制电路201的所述选择信号选择第二输入400。第二输入400被配置为连接至外部电源。在该第二场景中，连接外部电源的目的是使用MOSFET晶体管通过使电流流经该晶体管来散热。在该场景中，使用控制输入503处的控制电压以控制MOSFET晶体管散发的热量。

图6是DUT 601的电负载的系统600的实施例的示意性框图。系统包括功率控制器602，被配置为控制DUT 601以及DUT 601的物理壳体603内的至少一个功率转换器电路605。该壳体603用于使DUT 601与周围环境屏蔽。该壳体还可以是RF屏蔽。

系统600进一步包括温度传感器604，可操作地连接至所述功率控制器602，并且被配置为测量所述物理壳体603内的温度。

系统600进一步包括电子负载模块200，被配置为由所述功率控制器602控制，并且被配置为布置在DUT 601内。电子负载模块200包括有源负载203，被配置为减小来自所述DUT 601的电流。

电子负载模块200被配置为使用有源负载203在DUT 601的壳体603内产生和保持限定的温度。功率控制器602被配置为基于所述测量的温度利用电子负载模块200控制物理壳体603的温度。

现在参照图7公开DUT的电子负载的系统的另一实施例。在该实施例中，外部电源701连接至有源负载203的第二输入400。外部电源可以用于产生热量，并且保持所述壳体603内的温度。经由控制计算机702控制和管理整个测试顺序。控制计算机702可操作地利用诸如PMBUS的计算机总线连接至功率控制器602。

该系统的操作可以简短描述为：使用温度传感器604测量DUT 601内的环境温度并且将温度数据发送至控制计算机702。如果由控制计算机702确定必须增加温度，则命令经由功率控制器602从控制计算机702发送至电子负载模块200。电子负载模块200的数字控制电路201选择第二输入400作为输入源。因此，DUT 601利用选择器电路501与电子负载模块200断开。有源负载203之后用于生成DUT 601和壳体603中的热。该加热是由功率控制器602和控制计算机702管理和控制的。当达到DUT 601内的限定的环境温度时，断开外部电源。在该点处，DUT 601准备好利用电子负载模块200进行测试。之后，仿真不同负载条件的测试程序由控制计算机702执行并且由电子负载模块200实施。如果确定DUT 601在测试顺序中需要一些额外的热量，则外部电源被临时连接并且用于加热DUT 601。

在一个实施例中，电子负载模块200被配置为与DUT中的电路兼容的管脚，并且使用DUT内部存在的热沉进行散热。这样可以实现DUT601内部的实际温度分布。

在DUT 601内部的电子负载模块的这种安装还实现了实际的转换速率检测。这可以仿真FPGA电路的导通顺序。这可以归功于消除、或者显著减少连接DUT与电子负载的较长引线而使得寄生电容最小化的事实。

为了进一步示出系统的有益特征，下面公开了一些示例性场景。

在第一示例性场景中，会描述包含FPGA电路的PCB。在该第一示例性场景中的DUT 601是PCB，其功能与电信系统相关。该DUT 601的物理壳体603被提供用于RF屏蔽。为了使FPGA电路具有足够的电能，使用了现代分布的PSS。该PSS包括功率控制器602，可操作地利用PMBUS连接至若干POL转换器。该PCB的设计者需要测试不同工作条件下的PSS的能力，不幸地是FPGA子电路没有准备好在研发的该早期阶段进行测试。因此需要利用电子负载模块200仿真在PSS上由FPGA进行加载。电子负载模块被配置为与FPGA电路兼容的管脚，因而电子负载模块200是FPGA电路的插入式替换。有源负载203的MOSFET T1被配置为热连接至FPGA的热沉。电子负载模块200进一步被配置为经由数据总线连接器202由从PMBUS接收的指令控制。这样，不需要额外的控制引线来控制电子负载模块。控制计算机702经由USB连接至功率控制器，在连接至PMBUS转换器。

在该场景中，不需要环境测试室并且不需要长引线，以将电子负载模块200连接至PCB。因此，可以实现包含需要的转换速率测量的非常实际的DUT测试。

在第二示例性实施例中，若干有源负载203连接至数字控制电路201。因而，电子负载模块可以同时产生热并减小电流。

上述实施例仅用作示例而不应限制本发明。

缩写

DUT    待测设备

FPGA   现场可编程门阵列

JTAG   联合测试行动组

PCB    印刷电路板

PMBUS  功率管理BUS

POL    负载点

PSS    电源系统

PSU    电源单元

Claims (10)

1.一种用于操作电子负载模块(200)的方法(300)，其中所述电子负载模块包括：

数字控制电路(201)，被配置为经由数据总线连接器(202)连接至功率控制器；

有源负载(203)，可操作地连接至所述数字控制电路(201)并且由所述数字控制电路(201)控制；

第一输入(204)，可操作地连接至所述有源负载(203)并且被配置为连接至待测设备；

其中所述方法包括：

经由所述数据总线连接器(202)从可连接的所述功率控制器接收控制数据(301)；

基于所接收的控制数据控制(302)所述有源负载(203)，以经由所述第一输入(204)减小来自可连接的所述待测设备的限定电流；

以及其中所述方法的特征在于：

利用所述数字控制电路(201)和可连接的所述功率控制器基于所接收的控制数据控制(303)所述有源负载(203)，以产生并且维持所述待测设备的环境温度。

2.根据权利要求1所述的方法(300)，其中所述电子负载模块(200)包括第二输入(400)，所述第二输入连接至所述有源负载(203)并且被配置为连接至外部电源，其中所述有源负载(203)被配置为由所述数字控制电路(201)控制，以选择用于接收电能的所述第一输入(204)或所述第二输入(400)，其中所述方法进一步包括：

基于所接收的控制数据控制所述有源负载(203)以接收来自所述第二输入(400)的电能，使得所述有源负载(203)利用可连接的所述外部电源产生热。

3.根据权利要求1所述的方法(300)，其中所述电子负载模块(200)进一步包括计算机接口(401)，所述计算机接口连接至所述数字控制电路(201)并且被配置为连接至外部计算机，其中所述方法进一步包括经由所述计算机接口(401)利用所述外部计算机对所述数字控制电路(201)进行重新编程。

4.一种电子负载模块(200)，包括：

数字控制电路(201)，被配置为经由数据总线连接器(202)连接至功率控制器；

有源负载(203)，可操作地连接至所述数字控制电路(201)并且由所述数字控制电路(201)控制；

第一输入(204)，可操作地连接至所述有源负载(203)并且被配置为连接至待测设备；

其中所述数字控制电路(201)被配置为经由所述数据总线连接器(202)从可连接的所述功率控制器接收控制数据；所述数字控制电路(201)进一步被配置为控制所述有源负载(203)，以经由所述第一输入(204)减小来自所述待测设备的限定电流，其中所述电子负载模块(200)的特征在于：

所述有源负载(203)被配置为由所述数字控制电路(201)控制，以产生并且维持可连接的所述待测设备的环境温度。

5.根据权利要求4所述的电子负载模块(200)，包括第二输入(400)，所述第二输入连接至所述有源负载(203)的选择器电路(501)并且被配置为连接至外部电源，其中所述选择器电路(501)被配置为可选择地将来自可连接的所述待测设备或者可连接的所述外部电源的电能提供至所述有源负载(203)。

6.根据权利要求5所述的电子负载模块(200)，其中所述有源负载(203)包括：

所述选择器电路(501)，连接至所述第一输入(204)和所述第二输入(400)；

MOSFET晶体管(T1)，具有连接至所述选择器电路(501)的输出的漏极以及经由第一电阻器(R1)连接至接地电势的源极；

运算放大器(OP1)，具有连接至缓冲放大器(A1)的输出的非反相输入，所述缓冲放大器(A1)的输入被配置为经由控制输入(503)连接至所述数字控制电路(201)，所述运算放大器(OP1)的反相输入经由第二电阻器(R2)连接至所述MOSFET晶体管的源极，形成反馈回路，以及所述运算放大器(OP1)的输出经由包含第三电阻器(R3)和第一电容器(C1)的分支连接至所述运算放大器(OP1)的反相输入，所述运算放大器(OP1)的输出进一步连接至所述MOSFET晶体管(T1)的栅极；

其中由所述数字控制电路(201)控制经过所述MOSFET晶体管(T1)的电流，并且通过控制所述选择器电路(501)使得可连接的所述外部电源被选择以将电能提供至所述MOSFET晶体管，用于产生热。

7.根据权利要求4所述的电子负载模块(200)，包括计算机接口(401)，连接至所述数字控制电路(201)并且被配置为连接至外部计算机，其中所述数字控制电路(201)可以经由所述计算机接口(401)利用所述外部计算机对所述数字控制电路(201)进行重新编程。

8.一种用于电加载待测设备(601)的系统(600)，其中所述系统包括：

功率控制器(602)，被配置为控制所述待测设备(601)内的至少一个功率转换器电路(605)；

所述待测设备(601)的物理壳体(603)；

温度传感器(604)，可操作地连接至所述功率控制器(602)并且被配置为测量所述物理壳体(603)内部的环境温度；

电子负载模块(200)，被配置为由所述功率控制器(602)控制并且被配置为布置在所述待测设备(601)内，其中所述电子负载模块(200)包括有源负载(203)，所述有源负载(203)被配置为减小来自所述待测设备(601)的电流，

所述系统的特征在于，

所述电子负载模块(200)被配置为使用所述有源负载(203)在所述待测设备(601)的所述物理壳体(603)内产生并且维持限定环境温度，以及

所述功率控制器(602)被配置为基于所测量的环境温度以及利用所述电子负载模块(200)控制所述物理壳体(603)内的环境温度。

9.根据权利要求8所述的系统，包括外部电源(701)，以及其中所述电子负载模块(200)包括第二输入(400)，所述第二输入(400)用于接收来自所述外部电源(701)的电能，所述电子负载模块(200)进一步配置为选择所述待测设备(601)或者所述外部电源(701)用于分别减小电流并且产生热。

10.根据权利要求8或9所述的系统，包括控制计算机(702)，可操作地连接至所述功率控制器(602)以及被配置用于与所述功率控制器(602)进行通信，其中所述通信包括发送关于所述物理壳体(603)内的所限定的温度的指令以及加载指令。