CN114994563A - 电源测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供电源测试系统，包括验证母板和验证子板，验证母板包括FPGA主控模块和继电器阵列，FPGA主控模块用于接收来自上位机的直流信号，通过FPGA主控模块向继电器阵列输出控制信号以控制相应通路控制电路选通，从而实现相应测试电路的接通，验证母板外接有仪器仪表用于将外部激励信号进行整合，整合后的激励信号经由子母板连接器传输至验证子板。本发明FPGA主控模块经由对插连接器接入验证母板，接收上位机发出的指令控制验证母板继电器阵列对应的继电器通断，从而实现相应测试电路的接通，以实现不同测试电路的切换，满足了被测器件的不同测试功能需求。

Description

电源测试系统

技术领域

本发明涉及电源测试技术领域，具体涉及电源测试系统。

背景技术

随着集成电路产业的发展，集成电路芯片的测试成本所占比例不断攀升，集成电路设计公司在芯片设计和生产出来后往往需要寻找专业芯片测试机对芯片进行测试，以识别并挑选出坏片，只有通过测试的合格芯片才可以销售使用。目前国内的集成电路芯片测试主要由集成电路设计公司自行购买机台测试或委托专业测试机构进行测试。

ATE是AutomaticTestEquipment的缩写，于半导体产业意指集成电路(IC)自动测试机，用于检测集成电路功能之完整性，为集成电路生产制造之最后流程，以确保集成电路生产制造之品质。现有技术需要较为昂贵的费用来购置或租用ATE设备，并需要开发设计特定的ATE测试程序和专用的测试电路板，子板往往是唯一的，需要更换芯片，同时还要采用ATE专用的连接器与线缆，这在一定程度上增加了用户需要负担的成本；此外，随着FPGA集成度的不断增加，芯片规模越来越大，而封装I/O端口数量受限，在完整的测试流程中，不同测试电路功能实现难以覆盖得较为全面，需要应对外部仪器仪表与被测器件之间复杂的连接关系。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的问题是提供FPGA主控模块的IO信号经由对插连接器接入验证母板，通过接收上位机发出的指令控制验证母板继电器阵列对应的继电器通断，进而实现不同测试电路的切换的电源测试系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：电源测试系统，包括验证母板和验证子板，所述验证母板包括FPGA主控模块和继电器阵列，所述FPGA主控模块用于接收来自上位机的直流信号，通过FPGA主控模块向所述继电器阵列输出控制信号以控制相应通路控制电路选通，从而实现相应测试电路的接通，所述验证母板外接有仪器仪表用于将外部激励信号进行整合，整合后的激励信号经由子母板连接器传输至验证子板。

在本发明中，优选地，所述验证母板包括电源模块，所述电源模块包括压降单元和低压差线性稳压器，所述验证母板外接有直流稳压电源，所述直流稳压电源用于向所述验证母板输入12V电压信号，经由所述压降单元转换为5V电压信号，再通过所述低压差线性稳压器将5V电压信号转换为3.3V。

在本发明中，优选地，所述验证母板搭载有功能性子板，所述功能性子板包括相互对插的MTO数字通道模块和输入瞬态生成电路模块，所述MTO数字通道模块用于输出激励波形、比较器件返回波形、测量VOL参数以及测量VOH参数，所述输入瞬态生成电路模块用于为被测器件提供阶跃的输入信号。

在本发明中，优选地，所述继电器阵列包括大功率程控电源通路控制单元、信号注入器通路控制单元、电子负载通路控制单元、三通道直流电源通路控制单元以及数字万用表通路控制单元。

在本发明中，优选地，所述仪器仪表包括用于实现不同测试功能并反馈测试信息的大功率程控直流电源、信号注入器、电子负载、三通道直流电源以及数字万用表，分别对应所述大功率程控电源通路控制单元、信号注入器通路控制单元、电子负载通路控制单元、三通道直流电源通路控制单元以及数字万用表通路控制单元。

在本发明中，优选地，所述验证子板配置有交流信号放大模块，所述交流信号放大模块包括两个运放器，所述运放器与所述被测器件的输出端相连，用于将被测器件的输出信号的交流成分进行放大实现滤波，放大后的波形经由滤波器进行采集并读取波形峰值。

在本发明中，优选地，所述运放器的芯片型号设置为OPA211-EP。

在本发明中，优选地，所述验证子板配置有瞬态负载生成电路模块，所述瞬态负载生成电路模块用于向所述被测器件提供阶跃的负载电流，所述瞬态负载生成电路模块包括电流反馈型运放芯片、MOS管以及反馈电阻，所述电流反馈型运放芯片的输出端与所述MOS管的栅极相连，所述反馈电阻与所述MOS管的源极相连。

在本发明中，优选地，所述电流反馈型运放芯片的型号设置为ADA4870。

在本发明中，优选地，所述验证母板通过串口与上位机进行通讯，串口芯片的型号设置为MAX13236。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明FPGA主控模块的IO信号经由对插连接器接入验证母板，通过接收上位机发出的指令控制验证母板继电器阵列对应的继电器通断，从而实现相应测试电路的接通，验证母板外接有仪器仪表用于将外部激励信号进行整合，整合后的激励信号经由子母板连接器传输至验证子板，以实现不同测试电路的切换，满足了被测器件的不同测试功能需求；此外，对外部仪器仪表的电子负载的FORCE与SENSE进行了独立设计，将SENSE线单独走线并进行控制，可在验证子板上灵活设计SENSE线接入点，以避免系统的线路损耗；通过功能性子板上设计有相互对插的MTO数字通道模块和输入瞬态生成电路模块，MTO数字通道模块可以实现输出激励波形、比较器件返回波形、测量VOL、VOH在内多种参数，输入瞬态生成电路模块实现了正电压以及负电压的快速阶跃。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的电源测试系统的原理框图；

图2是本发明的电源测试系统的压降单元的接线图；

图3是本发明的电源测试系统的低压差线性稳压器的接线图；

图4是本发明的电源测试系统的FPGA主控模块与验证母板接线图；

图5是本发明的电源测试系统的验证母板通过串口与上位机通讯接线图；

图6是本发明的电源测试系统的大功率程控电源通路控制单元的接线图；

图7是本发明的电源测试系统的信号注入器通路控制单元的接线图；

图8是本发明的电源测试系统的电子负载通路控制单元的接线图；

图9是本发明的电源测试系统的三通道直流电源通路控制单元的接线图；

图10是本发明的电源测试系统的数字万用表通路控制单元的接线图；

图11是本发明的电源测试系统的交流信号放大模块的接线图；

图12是本发明的电源测试系统的瞬态负载生成电路模块的接线图；

图13是本发明的电源测试系统的输入瞬态生成电路模块的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明提供电源测试系统，包括验证母板和验证子板，验证母板包括FPGA主控模块和继电器阵列，FPGA主控模块用于接收来自上位机的直流信号，通过FPGA主控模块向继电器阵列输出控制信号以控制相应通路控制电路选通，从而实现相应测试电路的接通，验证母板外接有仪器仪表用于将外部激励信号进行整合，整合后的激励信号经由子母板连接器传输至验证子板。如图4所示，FPGA主控模块的IO信号经由对插连接器接入验证母板，通过接收上位机发出的指令控制验证母板继电器阵列对应的继电器通断，进而实现不同测试电路的切换，满足了被测器件的不同测试功能需求。本实施例提供的电源测试系统(面向应用验证)子板是围绕被测器件定制的，这是基于平台开发的，子板上设置有围绕被测器件一系列的配套的外围器件，根据电源进行设计，现有技术的子板往往是唯一的，需要更换芯片(如ATE测试)，本发明不是放置芯片，而是把子板(相当于电源最小系统)和系统进行对接，上位机设置测试参数(不用通过查表)，FPGA控制测试电路，上位机控制外部仪器仪表进行激励输出以及信号采集，上位机显示测试结果，保存数据文件(包括测试条件、测试结果、设定值)。

在本实施例中，进一步地，验证母板包括电源模块，电源模块包括压降单元和低压差线性稳压器，验证母板外接有直流稳压电源，直流稳压电源用于向验证母板输入12V电压信号，经由压降单元转换为5V电压信号，再通过低压差线性稳压器将5V电压信号转换为3.3V。如图2和图3所示，压降单元的芯片型号为LMZ31710，输入到母板的12V电压信号由LMZ31710转为5V电压信号，其输入范围为2.95V～17V，具有10A电流输出能力，完全满足板级供电需求。系统通过低压差线性稳压器将5V电压转为3.3V，低压差线性稳压器的芯片型号设置为AMS1117，其具有800mA电流输出能力。

在本实施例中，进一步地，验证母板搭载有功能性子板，功能性子板包括相互对插的MTO数字通道模块和输入瞬态生成电路模块，MTO数字通道模块用于输出激励波形、比较器件返回波形、测量VOL参数以及测量VOH参数，MTO数字通道模块用于向量的展开，任意信号的产生，信号的抓取以及正确、错误的判断，MTO数字通道模块包括FPGA控制单元、向量存储单元、程序存储单元、电源模块、驱动模块以及通讯板通讯接口以及通道输出接口，FPGA控制单元负责完成算法的产生、向量的展开、各个触发边沿的产生以及任意周期的产生，本实施例选用型号为Xilinx的K7系列FPGA控制单元。向量存储单元用来存储向量，包括DDR颗粒，DDR参考电压以及200M时钟参考模块，由于实际的向量的深度很大，所以需要专门的大容量存储实现向量的放置，为了满足实际速度要求，采用DDR3进行向量的存储，DDR颗粒型号为MT41J128M16，大小为2Gbit，最大可以容纳32M行测试向量，最大存储速度可到1866MT/S。DDR参考电压采用型号为TPS51206的芯片，TPS51206器件是具有VTTREF缓冲基准输出的灌电流/拉电流双倍数据速率(DDR)终端稳压器，该器件专门针对低输入电压、低成本、低外部组件数的空间受限型系统而设计，能够保持快速的瞬态响应，并且仅需1个10μF的陶瓷输出电容；该器件支持遥感功能，并且可满足DDR2、DDR3和低功耗DDR3(DDR3L)及DDR4VTT总线的所有电源要求，VTT具有±2A峰值电流能力，该器件支持所有DDR电源状态，在S3状态下将VTT置于高阻态(挂起到RAM)；在S4/S5状态下使VTT和VTTREF放电(挂起到磁盘)。驱动模块选用型号为ADATE305的驱动芯片，该型号芯片用于在ATE应用中执行驱动器、比较器和有源负载(DCL)、单引脚(PerPin)PMU、直流电平的引脚电子功能，其还内置一个HVOUT驱动器和VHH缓冲器，能够产生最高13.5V的电压。其中，驱动器提供三种有源状态：数据高电平状态、数据低电平状态、期限状态以及一种抑制状态，抑制状态与集成动态箝位一起使用时，有利于实现高速有源端接，通过调整正负电源电压，ADATE305支持两种输出电压范围：-2.0V至+6.0V和-1.5V至+6.0V。ADATE305既可以用作双单端驱动/接收通道，也可以用作单差分驱动/接收通道。每个通道都提供用于功能测试的高速窗口比较器，以及带FV/FI和MV/MI功能的单引脚PMU。DCL功能所需的全部直流电平都由片内14位DAC产生。单引脚PMU具有一个片内16位DAC，用于实现高精度操作，并且集成范围设置电阻，以尽量减少所需的外部器件数量。至此，通过以上系统结构设计就可以实现输出激励波形、比较器件返回波形、测量VOL、VOH等多种参数。

输入瞬态生成电路模块用于为被测器件提供阶跃的输入信号。电路核心为ADA4870搭建的同相放大电路，该型号芯片为一单位增益稳定的高速电流反馈型运放，其在40V电源轨下能够提供1A的输出电流以及2500V/us的压摆率，用以满足作为电源器件输入阶跃信号的幅值要求以及速率要求，同相放大电路的输入信号是由信号发生器提供的偏置方波，由于电流反馈型运放没有增益带宽积固定的限制，其在较高增益下仍能保证信号的速率，加之运放自身高压摆率的特点，通过调整运放的电源轨设置，可轻松实现正电压以及负电压的快速阶跃。如图13所示，继电器响应通路接通，仪表A和仪表B都接到整个电路，中间为MOS开关电路，其为关断的，一边给2V一边给10V，信号在不导通的时候就是2V输出，但是FPGA给信号让开关实现开通得到快速增长使得快速达到12V的快速阶跃，从而实现输入瞬态生成电路模块为被测器件提供阶跃的输入信号。

在本实施例中，进一步地，继电器阵列包括大功率程控电源通路控制单元、信号注入器通路控制单元、电子负载通路控制单元、三通道直流电源通路控制单元以及数字万用表通路控制单元。仪器仪表包括用于实现不同测试功能并反馈测试信息的大功率程控直流电源、信号注入器、电子负载、三通道直流电源以及数字万用表，分别对应大功率程控电源通路控制单元、信号注入器通路控制单元、电子负载通路控制单元、三通道直流电源通路控制单元以及数字万用表通路控制单元。具体而言，外部仪器仪表包括：

2台大功率程控直流电源，一台型号为KEYSIGHT E36232A，单通道，输出范围60V/10A/200W；

一台型号为KEYSIGHT E36231A，单通道，输出范围30V/20A/200W；

1台通用直流电源，型号为ITECH IT6302，三通道，其中两通道输出范围为0～30V/3A，一通道为0～5V/3A；

一台信号发生器，型号为RIGOL DG1062，双通道，200MHz，200MSa/s；

一台示波器，型号为KEYSIGHT DSOX2024A，四通道，200MHz。2GSa/s；

一台信号注入器，信号为PICOTEST J2120A，最大输入50V，最大输出5A；

一台数字万用表，型号为KEYSIGHT 34460A，6位半，DCV精度0.0075％；

一台SMU源表，型号为Keithley 2461，最大电压源/量程100V，最大电流源/量程10A，测量分辨率(电流/电压)1pA/100nV；

一台电子负载，型号为ITECH IT8811，输出范围120V/30A/150W。

在完整的测试流程中，不同测试电路的切换通过继电器完成，验证母板搭载有大量继电器，需要应对外部仪器仪表与被测器件之间复杂的连接关系。考虑到信号种类的差异，验证母板设计中选用两种继电器；大电流回路通断选用型号为ALZN1B05W的继电器，其能够经受16A直流电流，最大导通电阻100mΩ；小信号回路通断选用型号为G6K-2F的继电器。如图6所示，大功率程控电源通路控制单元对应两台大功率程控直流电源，分别用于在验证母板实现正电压输出和负电压输出，正电压输出功能仪表的FORCE与SENSE独立控制，且SENSE线连接的继电器在常闭状态与FORCE端接，可有效避免测试过程中SENSE线浮空产生的仪器故障，负电压输出功能的实现用于负电压输入型电源管理器件的应用场合。如图7所示，信号注入器通路控制单元对应信号注入器，用于被测器件为LDO型器件的PSRR测试中，将信号注入器输出的耦合信号引入验证子板。电子负载通路控制单元接线如图8所示，电子负载通路控制单元对应电子负载，测试母板提供三路独立的负载通道，可根据被测器件类型灵活调用。同样的，电子负载的FORCE与SENSE也进行了独立设计，将SENSE线单独走线并进行控制，可在验证子板上灵活设计SENSE线接入点，以避免系统的线路损耗。三通道直流电源通路控制单元接线如图9所示，三通道直流电源通路控制单元对应三通道直流电源，其将每个电源通道按照应用区分为板级供电与器件供电，板级供电用于验证子板搭载的功能性电路供电，而器件供电则针对被测器件，如被测器件可能包含的BIAS引脚输入以及PG引脚上拉电源等应用场合。这种设计使外部仪器仪表的测试资源得到扩充，提高了资源利用效率，且不同应用的区分也方便了外部电源对输入电流的独立监控。数字万用表通路控制单元如图10所示，数字万用表通路控制单元对应数字万用表，数字万用表通路控制单元将数字万用表的电压测量通道一分为三，能够根据应用灵活选择验证子板接入位置。

PSRR(电源纹波抑制比)对于线性稳压器的应用具有重要参考意义，但是该测试项的测试中，对于LDO器件输出信号交流成分的采集以及读取往往有一定困难。常规的测试方法中，将被测的LDO器件输出端连接SMA接头，通过同轴线缆接入示波器通道，示波器设置为交流耦合模式，打开带宽限制选项，采集LDO输出信号的交流成分波形，读取其峰峰值，再按公式计算出PSRR值。对于一般PSRR性能在30dB到40dB的LDO器件，常规测试方法基本满足测试需求。但是，如果被测LDO器件PSRR性能在50dB以上，此时交流耦合的信号峰峰值往往小于1mV，由于示波器垂直分辨率以及20M带宽的限制，采集到的交流有效信号往往淹没在底噪中，使读取峰峰值产生误差。基于以上问题，在本实施例中，进一步地，被测器件为LDO器件，验证子板配置有交流信号放大模块，如图11所示，交流信号放大模块包括两个运放器，运放器的芯片型号设置为OPA211-EP，该型号信号具有隔离、隔直以及100倍放大功能，运放器与LDO器件的输出端相连，用于将LDO器件的输出信号的交流成分进行放大，利用芯片的带宽实现滤波功能，对有效的交流信号(一般为低频)进行100倍增益放大，放大后的波形由示波器进行采集，读取到的波形峰峰值除以100增益即可得到测量的准确值。

在电源管理器件的负载瞬态响应测试中，需要在被测器件输出端提供阶跃的负载电流。在单板测试中，如果连线足够短，可以利用电子负载自带的阶跃功能进行测试。但是在测试系统中，该方式无法实现。原因是测试系统的外部仪器仪表的激励信号需要通过较长的导线以及若干中间器件(如连接器，继电器)等，才能接入被测器件，线路上的寄生电感难以控制，过大的寄生电感会破坏器件自身的负载瞬态响应性能，严重干扰测试结果。基于这种考虑，在负载瞬态响应测试中，被测电源管理器件的负载不由电子负载提供，而是连接板级大功率铝壳电阻，这样通过PCB布线可直观控制线路寄生电感不至影响测试结果。在本实施例中，进一步地，验证子板配置有瞬态负载生成电路模块，如图12所示，瞬态负载生成电路模块用于向被测器件提供阶跃的负载电流，瞬态负载生成电路模块与验证子板为对插关系，电流反馈型运放芯片的型号设置为ADA4870，MOS管采用N沟道型号为RQ3E150GN。瞬态负载生成电路模块包括电流反馈型运放芯片、MOS管以及反馈电阻，电流反馈型运放芯片的输出端与MOS管的栅极相连，反馈电阻与MOS管的源极相连。这样设计的好处在于，通过对运放电路输入信号的调整，可以直观地实现对MOS管源极电压的调节，而避免了常规MOS栅驱动电路复杂的中间过程。负载电阻选用0.1Ω的大功率铝壳电阻，在MOS管源极产生的电压浮动△V，即会在负载电阻上产生△V/0.1的电流，而MOS管漏极连接被测电源管理器件漏极，则该电流即为被测器件的负载电流。选用ADA4870的优势在于，其具有1A的高输出电流，从而能轻易的驱动大功率MOS的栅极寄生电容；另外，电流反馈型运放具有高压摆率特点，其大信号带宽52MHz，小信号带宽70MHz，能够满足负载电流的快速阶跃。并且，对于固定阻值的负载电阻，常规利用MOS删驱动电路驱动MOS进行简单的打开关断实现的负载电流变化是不可控非线性的，而改电路设计所实现的负载电流，即使在相同的负载电阻情况下，仍可通过调整运放输入信号幅值，调整运放增益以实现负载电流的线性控制，以满足不同被测器件的测试需求。

在本实施例中，进一步地，验证母板通过串口与上位机进行通讯，串口芯片的型号设置为MAX13236，如图5所示，此芯片具有较宽的输入电压，输出电压范围为3～5.5V，具有3Mbps的速度，其具有较强的抗干扰性。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.电源测试系统，其特征在于，包括验证母板和验证子板，所述验证母板包括FPGA主控模块和继电器阵列，所述FPGA主控模块用于接收来自上位机的直流信号，通过FPGA主控模块向所述继电器阵列输出控制信号以控制相应通路控制电路选通，从而实现相应测试电路的接通，所述验证母板外接有仪器仪表用于将外部激励信号进行整合，整合后的激励信号经由子母板连接器传输至验证子板。

2.根据权利要求1所述的电源测试系统，其特征在于，所述验证母板包括电源模块，所述电源模块包括压降单元和低压差线性稳压器，所述验证母板外接有直流稳压电源，所述直流稳压电源用于向所述验证母板输入12V电压信号，经由所述压降单元转换为5V电压信号，再通过所述低压差线性稳压器将5V电压信号转换为3.3V。

3.根据权利要求1所述的电源测试系统，其特征在于，所述验证母板搭载有功能性子板，所述功能性子板包括相互对插的MTO数字通道模块和输入瞬态生成电路模块，所述MTO数字通道模块用于输出激励波形、比较器件返回波形、测量VOL参数以及测量VOH参数，所述输入瞬态生成电路模块用于为被测器件提供阶跃的输入信号。

4.根据权利要求1所述的电源测试系统，其特征在于，所述继电器阵列包括大功率程控电源通路控制单元、信号注入器通路控制单元、电子负载通路控制单元、三通道直流电源通路控制单元以及数字万用表通路控制单元。

5.根据权利要求1所述的电源测试系统，其特征在于，所述仪器仪表包括用于实现不同测试功能并反馈测试信息的大功率程控直流电源、信号注入器、电子负载、三通道直流电源以及数字万用表，分别对应所述大功率程控电源通路控制单元、信号注入器通路控制单元、电子负载通路控制单元、三通道直流电源通路控制单元以及数字万用表通路控制单元。

6.根据权利要求3所述的电源测试系统，其特征在于，所述验证子板配置有交流信号放大模块，所述交流信号放大模块包括两个运放器，所述运放器与所述被测器件的输出端相连，用于将被测器件的输出信号的交流成分进行放大实现滤波，放大后的波形经由滤波器进行采集并读取波形峰值。

7.根据权利要求6所述的电源测试系统，其特征在于，所述运放器的芯片型号设置为OPA211-EP。

8.根据权利要求3所述的电源测试系统，其特征在于，所述验证子板配置有瞬态负载生成电路模块，所述瞬态负载生成电路模块用于向所述被测器件提供阶跃的负载电流，所述瞬态负载生成电路模块包括电流反馈型运放芯片、MOS管以及反馈电阻，所述电流反馈型运放芯片的输出端与所述MOS管的栅极相连，所述反馈电阻与所述MOS管的源极相连。

9.根据权利要求8所述的电源测试系统，其特征在于，所述电流反馈型运放芯片的型号设置为ADA4870。

10.根据权利要求1所述的电源测试系统，其特征在于，所述验证母板通过串口与上位机进行通讯，串口芯片的型号设置为MAX13236。

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