CN112187050A - 一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种成本低、精度高、交互便捷且体积小的用于测试设备的精密低成本程控电源模块。本发明集成于PCB板上，它包括接电连接器（1）、VBUS电源模块、VBATT电源模块（3）、Eload电子负载模块（4）、ADC模块（5）及DAC模块（6），所述VBUS电源模块、所述VBATT电源模块（3）及所述Eload电子负载模块（4）的输出端均设置有采样电阻，所述采样电阻的两端与所述ADC模块（5）相连接。本发明可应用于电源领域。
Description
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其涉及一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块。
背景技术
随着消费类电子产品的日益发展，越来越多公司更加注重产品的出产测试，从而需要测试设备对产品的主板进行测试。在测试设备夹具中一定离不开给产品上电开机的步骤，需要夹具有电源输出的功能。随着产品要求的不断提高，对电源模块的性能要求也在不断提高。
传统的方案是通过外部SMU系统数字源表或者Power supply,万用表给产品进行供电，电流电压测量，并且带载。虽然能够实现要求，但是这种仪器价格都比较昂贵，如一台高精度的SMU仪器要几万块钱，一台大功率的程控电源和六位半的万用表也需要好几千块。对于多通道并行测试时，需要仪器数量也比较大，成本更加昂贵。另外，一般仪器体积较大，这会使得测试设备需要考虑机箱放置仪器，增加测试设备在流水线上的空间占用，不利于缩小测试设备的整体体积。当需要大量测试设备时，这种缺点越加突出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种成本低、精度高、交互便捷且体积小的用于测试设备的精密低成本程控电源模块。
本发明所采用的技术方案是：本发明所述的电源模块集成于PCB板上，它包括接电连接器、VBUS电源模块、VBATT电源模块、Eload电子负载模块、ADC模块及DAC模块，所述VBUS电源模块、所述VBATT电源模块及所述Eload电子负载模块的输出端均设置有采样电阻，所述采样电阻的两端与所述ADC模块相连接；
所述VBUS电源模块与所述接电连接器连接，用于模拟USB电源输出；
所述VBATT电源模块与所述接电连接器连接，用于模拟电池对测试设备上的待测产品输出电源，为待测产品供电，或模拟电池产品的充电功能以检测电池产品的性能；
所述Eload电子负载模块用于提供可调的恒流源，以检测测试设备上的待测产品的带载能力；
所述ADC模块用于检测所述VBUS电源模块、所述VBATT电源模块及所述Eload电子负载模块的电流值和电压值；
所述DAC模块用于设置所述Eload电子负载模块的恒流值以及所述VBUS电源模块和所述VBATT电源模块的输出电压。
进一步地，所述VBUS电源模块为四线制方式，它包括DC-DC芯片，所述DC-DC芯片的VSENSE脚连接有USB电压设置运放器，所述所述DC-DC芯片的PH脚输出电压。
再进一步地，所述VBATT电源模块由四片大功率运放器并联而成，所述大功率运放器的型号为OPA569AIDWPR。
所述Eload电子负载模块由NMOS管构成，所述NMOS管的型号为IRFP048NPBF。
所述ADC模块选自24位ADC芯片，该芯片的型号为AD7172-2BRUZ。
所述DAC模块为16位DAC芯片，该芯片的型号为AD5696RBRUZ。
在所述VBUS电源模块与所述ADC模块及所述DAC模块之间、所述VBATT电源模块与所述ADC模块及所述DAC模块之间均设置有过流保护电路。
所述采样电阻包括有大电流采样电阻和小电流采样电阻，所述大电流采样电阻的两端和所述小电流采样电阻的两端通过设置信号选择开关及仪表运放器与所述ADC模块相连接。
本发明的有益效果是：本发明通过采用24bit-ADC和16bit-DAC和板卡校准，极大地提高了设备精度；与现有技术采用仪器检测的技术手段相比，本发明将整个设备集成于PCB上，不仅大大的减小体积，而且可以嵌入到系统中，使得整个测试设备更加简洁；与现有技术采用仪器的方式相比，本发明成本只需要10%源表的价格，大大地降低了成本。
附图说明
图1是本发明电路原理结构方框示意图；
图2是本发明VBUS电源电路原理示意图；
图3是本发明VBATT电源电路原理示意图；
图4是本发明ELOAD电子负载电路原理示意图；
图5是本发明ADC测量电路原理示意图；
图6是本发明DAC电压输出电路原理示意图；
图7是本发明VBUS电流测量电路原理示意图；
图8是本发明VBATT电流测量电路原理示意图；
图9是本发明ELOAD电流测量电路原理示意图；
图10是本发明OCP过流保护电路原理示意图。
具体实施方式
本发明的具体方案如下。
如图1所示，本发明集成于PCB板上，它包括接电连接器1、VBUS电源模块、VBATT电源模块3、Eload电子负载模块4、ADC模块5及DAC模块6，所述VBUS电源模块、所述VBATT电源模块及所述Eload电子负载模块的输出端均设置有采样电阻，所述采样电阻的两端与所述ADC模块相连接；
所述VBUS电源模块与所述接电连接器1连接，用于模拟USB电源输出；
所述VBATT电源模块与所述接电连接器1连接，用于模拟电池对测试设备上的待测产品输出电源，为待测产品供电，或模拟电池产品的充电功能以检测电池产品的性能；
所述Eload电子负载模块用于提供可调的恒流源，以检测测试设备上的待测产品的带载能力；
所述ADC模块用于检测所述VBUS电源模块、所述VBATT电源模块及所述Eload电子负载模块的电流值和电压值；
所述DAC模块用于设置所述Eload电子负载模块的恒流值以及所述VBUS电源模块和所述VBATT电源模块的输出电压。
本发明中，所述VBUS电源模块为四线制方式，它包括DC-DC芯片2，所述DC-DC芯片2的VSENSE脚连接有USB电压设置运放器，所述所述DC-DC芯片2的PH脚输出电压。VBUS电源模块采用DC-DC芯片，用于模拟USB口给待测产品供电，该电路输出电压范围为2.12958V-21V，输出电流为0-5.5A,电压输出精度为0.1%±0.05%，电流采集精度为0.1%±0.02%（10uA~5A）。VBATT电源模块主要采用大功率运放设计的电路，用于模拟待测产品的电池，实现给待测产品供电，或模拟产品电池充电的功能，该电路输出电压范围为0V-4.5V,输出电流范围为-5A-5A, 电压输出精度为0.1%±0.02%，电流采集精度为0.1%±0.02%（10uA~5A）。所述大功率运放器的型号为OPA569AIDWPR。Eload电子负载模块，目的给待测产品提供可调的恒流源，用于测试产品的带载能力。该电路通过功率MOS管开关特性实现恒流。所述NMOS管的型号为IRFP048NPBF。ADC测量模块的目的是测量VBATT,VBUS,ELOAD的电压和电流，已经外扩一路ADC测量接口用于设备系统的电压测量。所述ADC模块选自24位ADC芯片，该芯片的型号为AD7172-2BRUZ。DAC电压输出模块，目的是实现电源输出电压的设置，电子负载恒流的设置，以及过流保护的阈值的设置，同时预留了三路DAC芯片给设备。所述DAC模块为16位DAC芯片，该芯片的型号为AD5696RBRUZ。
所述采样电阻包括有大电流采样电阻和小电流采样电阻，所述大电流采样电阻的两端和所述小电流采样电阻的两端通过设置信号选择开关7及仪表运放器8与所述ADC模块5相连接。
如图2所示，VBUS电源模块为了确保电源板输出电压到待测产品的精度，采用四线制的方式，减少线路阻抗的影响。使用DC-DC电源芯片，最大可以输出5A电流。由于DC-DCVSENSE端恒定电压为1.221V，通过调节V_USB_SET的运放从而改变VBUS输出电压，实现程控，具体的参数设置如下:
输入电压为+24V，输出电压为2.12958V～21V，电流值为0A～5A，基准电压V_REF为10V，USB设置电压V_USB_SET为0～12V，则有USB输出电压V_USB_OUT为：
V_USB_OUT=R1*(1.221(1/R3+1/R2+1/R1)+(V_USB_SET-V_REF)/R2))
=2.12958+1.579*V_USB_SET。
如图3所示，VBATT电源模块采用大功率运放，由于需求输出的电流大，所以用4片IC并联输出，提高驱动能力，每一片限流2A，输出电流范围为-5A-5A.电路通过DAC产生可调电压，调节VBATT输出电压，输出电压范围为0V-4.5V。
如图4所示，所述Eload电子负载模块工作采用大功率NMOS管，假设MOS管Vds足够大时，DAC设置ELOAD_SET电压，由于ELOAD_FB连接放大器方向输入端ELOAD_FB小于ELOAD_SET,放大器输出电压升高，MOS管Vgs上升，从而引起Ids上升，随后ELOAD_FB上升，放大器输出电压下降，Vgs下降，从而Ids下降，当ELOAD_FB与ELOAD_SET相等时，达到平衡。
如图5所示，所述ADC模块使用的是24位分辨率芯片，最高支持250KSPS,内部自带轨道轨buffer，支持单端以及差分输入模拟信号的采样，内部集成2.5V参考电压，温飘系数仅为±2PPM/C，使用SPI通信协议，是电源板高精度测量的核心芯片。电源板通过该芯片测量电压，实现对VBUS，VBATT的电压电流测量，ELOAD输入电压的测量以及带载电流的测量，同时预留一路差分输入接口用于系统电压的测量。
如图6所示，所述DAC模块使用16位DAC芯片，这是一款相对精度较高的芯片，失调电压最大不超过0.1%FSR, 400kHz I2C接口，最大可搭载4片该芯片，温飘系数仅为±2PPM/C。电源板一共使用2片DAC芯片，通过该芯片输出电压，实现对VBUS，VBATT的电压控制和过流保护的电流设置，ELOAD带载电流的设置，同时还预留三路DAC输出给系统使用。
如图7至图9所示，VBUS/VBATT电流测量电路使用0.01R和10R采样电阻，分别对应大电流测量和小电流测量。默认情况下使用大电流模式时，VBUS K1的继电器处于常闭状态，10R采样电阻被短接，电流通过继电器。同理，VBATT Q3 NMos不导通，VBATT Q1和Q3处于导通状态，10R采样电阻短接。当使用小电流模式时，将Q3导通，Q1和Q3 NMos栅极设置为地电平，Q1和Q3 NMos不导通，电流流过10R。VBUS的继电器则通过IO口控制断开实现。ELOAD电流采集一般不会小于1mA以下，所以这里不需要用到大小电流的切换。
VBUS/VBATT使用了AD8253可编程增益仪表放大器，用于放大采样电阻两端的电压，在通过板卡中的AD7175采集电压，换算出电流大小，公式如下：
CUR=V/R=(Vadc/Gain)/R，其中，Vadc为AD7175采集AD8253的输出电压，Gain为AD8253的放大倍数，R为采样电阻的电阻值。ELOAD电路使用的是INA826仪表放大器，通过G1和G2间跨接一个电阻进行增益放大，在通过AD7175采集电压。其中在本设计中Gain=1+49.4Kohm/Rg=1+49.4k/5.49k=9.998。
如图10所示，在所述VBUS电源模块与所述ADC模块及所述DAC模块之间、所述VBATT电源模块与所述ADC模块及所述DAC模块之间均设置有过流保护电路。过流保护电路能够防止待测产品在测试的过程中因过流烧坏。首先在程序中设置过流值，然后MCU控制DAC芯片输出参考电压给OCP电路。当电流采样电路输出的Vcur大于设置值时，U11将会产生边沿跳变使到触发器输出高电平，USB_OCP和BAT_OCP高电平时会触发VUSB/VBATT电源芯片使能端拉低，从而使电源芯片不输出。
本发明可高精度输出两路电压源，可以高精度测量电压源的输出电流，电路集成度高，大大的减少测试设备的体积，根据客户的需求定制，减少不必要的成本。
Claims (8)
1.一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块，其特征在于：该模块集成于PCB板上，它包括接电连接器（1）、VBUS电源模块、VBATT电源模块（3）、Eload电子负载模块（4）、ADC模块（5）及DAC模块（6），所述VBUS电源模块、所述VBATT电源模块（3）及所述Eload电子负载模块（4）的输出端均设置有采样电阻，所述采样电阻的两端与所述ADC模块（5）相连接；
所述VBUS电源模块与所述接电连接器（1）连接，用于模拟USB电源输出；
所述VBATT电源模块（3）与所述接电连接器（1）连接，用于模拟电池对测试设备上的待测产品输出电源，为待测产品供电，或模拟电池产品的充电功能以检测电池产品的性能；
所述Eload电子负载模块（4）用于提供可调的恒流源，以检测测试设备上的待测产品的带载能力；
所述ADC模块（5）用于检测所述VBUS电源模块、所述VBATT电源模块（3）及所述Eload电子负载模块（4）的电流值和电压值；
所述DAC模块（6）用于设置所述Eload电子负载模块（5）的恒流值以及所述VBUS电源模块和所述VBATT电源模块（3）的输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块，其特征在于：所述VBUS电源模块为四线制方式，它包括DC-DC芯片（2），所述DC-DC芯片（2）的VSENSE脚连接有USB电压设置运放器，所述所述DC-DC芯片（2）的PH脚输出电压。
3.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块，其特征在于：所述VBATT电源模块（3）由四片大功率运放器并联而成，所述大功率运放器的型号为OPA569AIDWPR。
4.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块，其特征在于：所述Eload电子负载模块（4）由NMOS管构成，所述NMOS管的型号为IRFP048NPBF。
5.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块，其特征在于：所述ADC模块（5）选自24位ADC芯片，该芯片的型号为AD7172-2BRUZ。
6.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块，其特征在于：所述DAC模块（6）为16位DAC芯片，该芯片的型号为AD5696RBRUZ。
7.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块，其特征在于：在所述VBUS电源模块与所述ADC模块（5）及所述DAC模块（6）之间、所述VBATT电源模块（3）与所述ADC模块（5）及所述DAC模块（6）之间均设置有过流保护电路。
8.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块，其特征在于：所述采样电阻包括有大电流采样电阻和小电流采样电阻，所述大电流采样电阻的两端和所述小电流采样电阻的两端通过设置信号选择开关（7）及仪表运放器（8）与所述ADC模块（5）相连接。
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| CN202010976244.9A CN112187050A (zh) | 2020-09-16 | 2020-09-16 | 一种用于测试设备的精密低成本程控电源模块 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115236374A (zh) * | 2022-09-21 | 2022-10-25 | 广州思林杰科技股份有限公司 | 一种小型化的程控电源及其电源输出方法 |
-
2020
- 2020-09-16 CN CN202010976244.9A patent/CN112187050A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115236374A (zh) * | 2022-09-21 | 2022-10-25 | 广州思林杰科技股份有限公司 | 一种小型化的程控电源及其电源输出方法 |
| CN115236374B (zh) * | 2022-09-21 | 2022-12-27 | 广州思林杰科技股份有限公司 | 一种小型化的程控电源及其电源输出方法 |
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