脉冲宽度调制(PWM)器件的测试

PWM器件概述

PWM器件是随着开关电源的发展和半导体集成技术的发展而出现的。开关电源是一种高频电源转换电路，采用开关器件来控制未经稳压的直流输入电源，配合相应的滤波线路，产生稳定的直流输出，输出电压的高低取决于开关器件的占空比。早期的开关电源采用分立器件，但结构复杂，性能也不理想。随着半导体技术的发展，开关电源控制所需的集成开关稳压器控制芯片应运而生，这就是脉冲宽度调制（PWM）器件，而且功能不断完善，性能不断提高，而外接元件却越来越少，这使得开关电源的设计大大简化，同时性能逐步提高，促进了开关电源的发展。用PWM器件设计的开关电源以其体积小、重量轻、效率高、可靠性好等显著优势在民用和军用电子产品中发挥着日益重要的作用。

PWM器件的功能

PWM器件的种类比较多，功能上也有所差别。PWM器件是根据输出反馈，调节脉冲方波的占空比，以此来驱动功率器件、高频变压器、整流、滤波等电路，从而得到稳定的直流输出电压，PWM器件在开关电源中完成脉宽调制作用，大多数PWM器件还具有工作电压的滞回、软启动、快速关闭、电流限制等辅助功能，只需外接少数阻容元件、分立器件和输出高频变压器即可实现性能比较理想的开关电源。



PWM器件的结构

PWM器件的内部结构比较复杂，不同种类PWM器件的结构也不完全相同。大多数PWM器件都具有基准电压部分、振荡部分、调宽控制部分、误差放大部分、电流限制部分、输出部分等，另外，有的种类还有软启动控制部分、快速关闭部分、欠压锁定部分等辅助部分。图1为适用于高频功率MOS管驱动的UC1525A/27A的内部结构框图。

PWM器件的测试

PWM器件测试的难点

PWM器件集成度高、结构复杂，这给它的性能、参数测试带来了很大的难度。

首先要了解PWM器件的工作原理、器件内部各部分的原理以及相互之间的关系，从而才能设计各个参数的测试原理和合理的测试方法。

对PWM器件内部各个相对独立部分的相关参数进行测试，都需要有针对的专用测试线路。而且PWM器件的参数包含了不同类型的物理量，如频率量、时间量、电压量、电流量等，另外还包含某些需要扫描测试的阈值量。

在对器件某一部分的参数进行测试时，有可能受到其他电路的影响，这就要求在对某一部分的参数进行测试时，系统还要具备对器件的其他部分电路进行控制和设置的能力。

PWM器件的某些参数测试信号比较微弱，要求测试相应测试线路与被测试量点之间的距离不能过大，否则会影响参数测试的精度和稳定性，要求测试线路必须采用紧凑的结构。同时要通过功能强大、切换灵活的测量矩阵来完成各个待测量点与各个专用测试线路之间的切换，以满足测试系统对各种参数的测试要求。



PWM器件工作时会有高频脉冲产生，在测试PWM器件的频率、占空比参数时也需要有高频的时钟信号，这些高频信号会干扰和影响参数测试，因此测试系统从原理设计、结构设计到PCB板布局、布线都必须充分考虑系统的抗干扰问题。

基于上面的原因和其他的一些因素，目前国内尚没有一套比较理想的系统能够比较全面地对PWM器件的参数进行测试。国外的一些大型测试系统，还要配置一些专门的硬件模块并单独开发较为复杂的软件包才能测试PWM器件，而一般用户难于自行开发相应的硬件和软件。有些测试系统虽然有用于PWM器件测试的可选模块和相应的编程软件平台，但仅能提供十几个参数的测试，无法很好地满足PWM器件生产和应用单位的测试要求。

PWM器件的测试原理

STS 2110B脉冲宽度调制（PWM）器件测试系统对各种典型PWM器件（例如TL494A、SG3524、SG3525A、SD3842A等）进行大量原理性实验，对PWM器件的特性和各种参数作了比较深入的试验，具有针对PWM器件各部分的测试电路。


　　

由于PWM器件基准部分输出电压为5V，而电压调整率和负载调整率参数的值一般很小，仅几个毫伏，如果直接测量，可能使一个很小的电压变化附加在一个相对大的固定电压上，测量精度不高。STS 2110系统采用D/A给出参考电压5V，然后通过高灵敏度的差分放大电路测量基准电压相对参考电压的变化，使测量灵敏度和精度大大提高。图2为基准部分调整率参数的测试原理图。

PWM器件的误差放大部分相当于运算放大器，采用辅助运放闭环测量的原理测试它的各个闭环参数。图3为误差放大部分闭环参数的测试原理图。



PWM器件通常采用外部阻容网络与芯片内的波形发生器配合产生振荡波形，系统在测试适配器上安排了三组阻容网，可程控接入PWM芯片，以设定和改变器件的振荡频率。另外通过对PWM器件的控制可使其在开环状态下分别工作于占空比最窄和最宽的工作状态。系统采用石英晶振作为频率标准，采用超大规模EPLD器件实现脉冲计数法，并通过软件处理完成对频率量和占空比的测试。图4为振荡部分和PWM部分参数的测试原理图。



PWM器件有一些阈值参数（例如软启动低电平、工作电压启动阈值、工作电压下限阈值等），需要对器件的某些输入端或电源端进行电压扫描，用以判定扫描电压和器件内部状态翻转的关系，同时还要有状态设定单元和电平检测单元，分别用于设定芯片的工作状态和读取器件的阈值点。图5为阈值参数的扫描测试原理图。

STS 2110B脉冲宽度调制器件测试系统在总体结构上，采用两级分布式测试系统结构，上位机为主控计算机，用于测试软件的管理，用户编程，测试数据的即时显示、统计、存盘和打印，测试程序的调入等。下位机包括测试仪主机、测试盒以及测试适配器等部件，根据上位机发送的测试程序，完成PWM器件测试的具体过程。图6为整个系统的原理框图。

测试仪主机采用了由系统总线支持的模块化结构，系统可分为系统控制模块，A/D、D/A转换模块，程控电压源模块，精密测量模块，器件测试模块和测量矩阵模块等几大部分。器件测试模块单元中又包含了调整率测量单元、误差放大器测量单元、振荡参数测量单元、阈值参数测量单元、状态设置单元等几个部分。

结论

STS2110B脉冲宽度调制（PWM）器件测试系统适用于电压模式型、电流模式型、双端输出型、单端输出型等各种类型PWM器件的参数测试，全面覆盖PWM器件内部的电压基准、误差放大、电流限制、振荡、脉宽调制、启动、关闭、总体等各部分的参数。同时，系统可提供常用PWM器件的测试适配器及相应测试软件，用户也可利用系统提供的基于Windows的非语言化交互式编程平台方便地编制测试程序。

经过生产调试，该系统达到了预计的设计要求，测试精度和稳定性完全满足生产商和用户的测试要求。

参考文献

1 集成开关稳压器应用手册，北京半导体器件五厂
2 Product & Applications Handbook 1993-94，Unitrode