基于PMBus總線的電源管理總線測試系統(tǒng)的研制

(1.遼寧工業(yè)大學 電子與信息工程學院，遼寧 錦州 1210011； 2.天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300000)

目前市場上大部分DC/DC電源仍不是數(shù)字可控制的。如果需要改變電源模塊的各種參數(shù),需要通過改變電源模塊的電容、電阻等器件來完成。市場上出現(xiàn)的數(shù)字可控電源模塊并沒有統(tǒng)一的標準協(xié)議[1]。在PMBus協(xié)議出現(xiàn)之后，為了可以使數(shù)字電源行業(yè)有統(tǒng)一的通信標準，大型電源廠家通過統(tǒng)一使用PMBus協(xié)議來設(shè)立統(tǒng)一標準[2-4]。正因為業(yè)界有了統(tǒng)一的規(guī)范，在設(shè)計自動測試系統(tǒng)時，可以按照規(guī)范進行設(shè)計，使不同種類的電源模塊都可以適應測試系統(tǒng)[5]。為此，提出基于PMBus總線自動測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)大幅節(jié)省了勞動力，并且縮短了測試的時間，以便于研發(fā)人員對參數(shù)的校驗和性能的評估。

以測試電源模塊的各種功能和PMBus電源總線為依據(jù)，設(shè)計了結(jié)合LabVIEW和數(shù)字電源模塊的自動測試系統(tǒng)。LabVIEW與電源模塊之間通過Win-I2C進行通信，數(shù)字電源、數(shù)字負載和安捷倫之間通過GPIB進行連接，并通過GPIB-USB與LabVIEW通信。測試得到的數(shù)據(jù)自動填充到預先設(shè)計的Excel表中，而且當測量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤時，系統(tǒng)自動記錄，使研發(fā)人員可以快速準確地了解電源模塊的功能。

1 系統(tǒng)總統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)采用工業(yè)上使用的虛擬儀器來進行上位機界面的搭建[6-7]，基于GPIB、PMbus標準總線方式，通過上位機和GPIB板卡將測試設(shè)備與被測電源相連，構(gòu)成實時監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機輸入正確的設(shè)備地址，通過GPIB來控制設(shè)備的數(shù)字電源、負載和安捷倫，再通過Win-I2C將被測模塊與上位機相連。上位機給測量設(shè)備和模塊發(fā)送不同的指令，數(shù)字電源、負載做出相應的設(shè)置，使被測試模塊處于不同的電氣狀態(tài)，比如VOUT_OVP、OTP、VIN_OVP等，然后利用Win-I2C板卡將電源模塊中的不同參數(shù)信息傳回計算機，計算機通過設(shè)計好的程序?qū)?shù)據(jù)處理并自動填充到表格中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 數(shù)字可編程電源

研制人員研發(fā)的電源模塊功能測試需要在電源設(shè)計參數(shù)下進行，因此要選用可以滿足電源正常運行的外部設(shè)備[8-11]。對于智能可控直流電源模塊，它的突出功能是可以在一定范圍的輸入電壓下保證輸出的直流電壓為穩(wěn)定的值。而在不同的輸入電壓下，數(shù)值直流電源模塊內(nèi)部的各種參數(shù)指標不同，電源模塊運行在不同的工作模式下。為了實現(xiàn)對電源模塊的自動測試，應選用可以通過計算機對其智能控制并可以為數(shù)字直流電源模塊提供精確輸入值的數(shù)值可控電源。并且該電源可以實現(xiàn)將實時測試數(shù)據(jù)上傳的功能。系統(tǒng)在保證可靠要求下，充分考慮系統(tǒng)良好的性價比，選用CHROMA可程控直流電源Model 62000P Series。該直流電源可以有效地通過GPIB來控制，電壓輸出范圍大，而且具有過電壓、限電流和過溫度的保護功能。

1.2 數(shù)字可編程負載

對數(shù)字電源模塊測試時，在不同的負載情況下，電源模塊將智能選擇工作方式，此時電源模塊中的各種運行、保護參數(shù)將發(fā)生變化。例如當模塊內(nèi)部參數(shù)VOUT_UVP、IOUT_OVP發(fā)生改變，按照設(shè)計要求此時電源模塊應智能辨別其當前的工作模式，并及時對電源模塊做出保護動作。在自動測試過程中為了可以測試出電源模塊內(nèi)部各種功能和參數(shù)的變化，也需要選用一款數(shù)字可控的電源負載，該負載應精準滿足電源模塊所設(shè)計的負載值。與不同型號負載參數(shù)對比，結(jié)合實際情況選用CHROMA可編程大功率直流電子負載。并且可以進行短路模擬和開機自我診斷。同時該負載可以通過GPIB與上位機進行通信。

1.3 數(shù)字萬用表

對直流電源模塊測試時，為了保證對電源模塊內(nèi)部參數(shù)的準確校驗，需要選用高精度多功能的智能萬用表，該萬用表應實現(xiàn)對V、I和溫度等參數(shù)的高精度自動測試。對比了不同型號智能萬用表，并基于實際情況最終選用Agilent 34970A。Agilent 34970A精度高，并且可以通過上位機便捷地切換測量的參數(shù)類型，實現(xiàn)了通過一個設(shè)備測試不同參數(shù)，非常適合現(xiàn)場測試。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 LabVIEW測試界面設(shè)計

利用LabVIEW軟件搭建上位機界面，可以將測量數(shù)據(jù)實時顯示在上位機上，方便測試人員觀察[12]。上位機界面如圖2所示。通過LabVIEW界面可以選擇需要測試的項目，還可以將測試的數(shù)據(jù)和測試的具體項目在界面中顯示出來[13-14]，如圖3所示，用來測試輸入輸出電壓和模塊溫度，每個測試項目都包含模塊控制芯片中讀取的值和經(jīng)過特定公式換算得到的電壓電流和溫度，方便測試人員比較。

圖2 上位機界面

圖3 測試項目顯示

2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換PM11 TO INT 16

數(shù)字電源的研發(fā)設(shè)計是在國際通用的PMBus協(xié)議標準下進行，在該協(xié)議下利用智能萬用表讀取的數(shù)據(jù)并不是十進制的數(shù)據(jù)，因此需在讀取時將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換。圖4(a)為Iin、Vin、Iout和溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換規(guī)則。圖4(b)為Vout的規(guī)則。圖4(c)為基于上述兩種規(guī)則并利用LabVIEW編寫的轉(zhuǎn)換程序。

圖4 數(shù)據(jù)讀取方法

2.3 可編程電源軟件設(shè)計

可編程電源采用GPIB進行通信。數(shù)字電源通過GPIB協(xié)議并同過GPIB板卡實現(xiàn)了通過上位機對可編程電源的電壓、電流的調(diào)控，實現(xiàn)了利用一種輸入電源設(shè)備對多種型號數(shù)字直流電源模塊的測試，方便了實際的應用。圖5為可編程電源的驅(qū)動程序。

圖5 可編程電源驅(qū)動

2.4 Agilent 34970A軟件設(shè)計

對電源模塊參數(shù)性能評估中，需要通過Agilent 34970A表對數(shù)字電源模塊的Iin、Vin、Iout、Vout和電源模塊在運行時的溫度進行快速精準采集。圖6為在LabVIEW軟件下編寫的Agilent 34970A驅(qū)動程序。

圖6 Agilent 34970A驅(qū)動

2.5 WinI2C 軟件設(shè)計

電源模塊與外部可編程設(shè)備之間的通信是通過GPIB協(xié)議來實現(xiàn)的。而數(shù)字電源模塊內(nèi)部參數(shù)的讀取和參數(shù)的設(shè)置則是通過WinI2C協(xié)議。WinI2C利用的是I2C總線，而PMBus總線是在I2C總線發(fā)展而來的。因此在編寫WinI2C驅(qū)動程序時按照PMBus協(xié)議編程，從而實現(xiàn)了利用WinI2C板卡實現(xiàn)電源模塊內(nèi)部參數(shù)讀取和其內(nèi)部參數(shù)的修改。圖7為WinI2C的驅(qū)動程序。

圖7 WinI2C 驅(qū)動

3 系統(tǒng)應用

該系統(tǒng)已經(jīng)在上海某電源廠商中進行PMBus測試。為了驗證該裝置的可靠性，將Q54SJ12067模塊利用該自動測試系統(tǒng)進行測試。

圖8為對某電源模塊Power measurement的部分測試數(shù)據(jù)。通過自動測試系統(tǒng)快速、準確的同時采集到了在Vin和負載改變的條件下，測試電源模塊內(nèi)部A/D元件采集到的Vout、溫度和外部設(shè)備采集的Vout、溫度數(shù)據(jù)，方便了工作人員對電源模塊內(nèi)部參數(shù)的校驗和電源模塊性能的評估。

從圖8測試結(jié)果可以看出，采用基于電源管理總線(PMBus)的測試方法進行測試，實現(xiàn)了同時測量數(shù)字電源內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部設(shè)備采集數(shù)據(jù)，并大幅縮短了測試的時間。方便了工作人員通過數(shù)字電源內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)的對比來對電源模塊進行精準校驗。同時也避免了測試人員手動測試帶來的不必要的干擾，使得測試結(jié)果更準確。

圖8 某電源模塊實時測試數(shù)據(jù)

通過對不同型號電源模塊的測試，并與其研發(fā)設(shè)計時誤差范圍比較，可知該系統(tǒng)對電源模塊電流、電壓、溫度等各個測試結(jié)果的誤差均控制在模塊研發(fā)設(shè)計要求的區(qū)間內(nèi)。Q54SJ12067直流開關(guān)電源測試結(jié)果均在圖9所規(guī)定的誤差顯示的范圍內(nèi)，符合測試要求。

圖9 模塊誤差范圍

圖10為Regulation Loop Communication Test的部分測試數(shù)據(jù)。

圖10 長時間運行監(jiān)測結(jié)果

通過這種測試方式可以方便地測試數(shù)字電源模塊是否發(fā)生通信中斷問題，該測試通過自動定時發(fā)送指令來采集電源模塊通信通道，長時間與電源模進行測試，避免了測試人員長時間手動對電源模塊進行通信測試和長時間定時測試，更加科學合理地驗證數(shù)字電源模塊的通信問題。通過對圖10所示數(shù)據(jù)的觀察，可以直觀發(fā)現(xiàn)該電源模塊在長時間測試中并未發(fā)生通信中斷。

4 結(jié)束語

該測試系統(tǒng)已經(jīng)得到了電源廠商的認可，并在上海某企業(yè)中得到應用，通過對大量數(shù)字電源模塊的測試，該測試系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性高，得到了企業(yè)的認可。該測試系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化的測試，省去了勞動力，并且可以客觀、準確地采集數(shù)據(jù)，并將測試的結(jié)果自動填充到Excel中，方便了研發(fā)人員對不同測試條件下電源模塊參數(shù)的分析和校驗。