基于PMBus總線的電源管理總線測(cè)試系統(tǒng)的研制

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

目前市場(chǎng)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(guò)改變電源模塊的電容、電阻等器件來(lái)完成。市場(chǎng)上出現(xiàn)的數(shù)字可控電源模塊并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，大型電源廠家通過(guò)統(tǒng)一使用PMBus協(xié)議來(lái)設(shè)立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。正因?yàn)闃I(yè)界有了統(tǒng)一的規(guī)范，在設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可以按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，使不同種類(lèi)的電源模塊都可以適應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)[5]。為此，提出基于PMBus總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)大幅節(jié)省了勞動(dòng)力，并且縮短了測(cè)試的時(shí)間，以便于研發(fā)人員對(duì)參數(shù)的校驗(yàn)和性能的評(píng)估。

以測(cè)試電源模塊的各種功能和PMBus電源總線為依據(jù)，設(shè)計(jì)了結(jié)合LabVIEW和數(shù)字電源模塊的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。LabVIEW與電源模塊之間通過(guò)Win-I2C進(jìn)行通信，數(shù)字電源、數(shù)字負(fù)載和安捷倫之間通過(guò)GPIB進(jìn)行連接，并通過(guò)GPIB-USB與LabVIEW通信。測(cè)試得到的數(shù)據(jù)自動(dòng)填充到預(yù)先設(shè)計(jì)的Excel表中，而且當(dāng)測(cè)量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄，使研發(fā)人員可以快速準(zhǔn)確地了解電源模塊的功能。

1 系統(tǒng)總統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用工業(yè)上使用的虛擬儀器來(lái)進(jìn)行上位機(jī)界面的搭建[6-7]，基于GPIB、PMbus標(biāo)準(zhǔn)總線方式，通過(guò)上位機(jī)和GPIB板卡將測(cè)試設(shè)備與被測(cè)電源相連，構(gòu)成實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)輸入正確的設(shè)備地址，通過(guò)GPIB來(lái)控制設(shè)備的數(shù)字電源、負(fù)載和安捷倫，再通過(guò)Win-I2C將被測(cè)模塊與上位機(jī)相連。上位機(jī)給測(cè)量設(shè)備和模塊發(fā)送不同的指令，數(shù)字電源、負(fù)載做出相應(yīng)的設(shè)置，使被測(cè)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(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)好的程序?qū)?shù)據(jù)處理并自動(dòng)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(cè)試需要在電源設(shè)計(jì)參數(shù)下進(jìn)行，因此要選用可以滿足電源正常運(yùn)行的外部設(shè)備[8-11]。對(duì)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(biāo)不同，電源模塊運(yùn)行在不同的工作模式下。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電源模塊的自動(dòng)測(cè)試，應(yīng)選用可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)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(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)測(cè)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(jià)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(guò)GPIB來(lái)控制，電壓輸出范圍大，而且具有過(guò)電壓、限電流和過(guò)溫度的保護(hù)功能。

1.2 數(shù)字可編程負(fù)載

對(duì)數(shù)字電源模塊測(cè)試時(shí)，在不同的負(fù)載情況下，電源模塊將智能選擇工作方式，此時(shí)電源模塊中的各種運(yùn)行、保護(hù)參數(shù)將發(fā)生變化。例如當(dāng)模塊內(nèi)部參數(shù)VOUT_UVP、IOUT_OVP發(fā)生改變，按照設(shè)計(jì)要求此時(shí)電源模塊應(yīng)智能辨別其當(dāng)前的工作模式，并及時(shí)對(duì)電源模塊做出保護(hù)動(dòng)作。在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中為了可以測(cè)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(fù)載，該負(fù)載應(yīng)精準(zhǔn)滿足電源模塊所設(shè)計(jì)的負(fù)載值。與不同型號(hào)負(fù)載參數(shù)對(duì)比，結(jié)合實(shí)際情況選用CHROMA可編程大功率直流電子負(fù)載。并且可以進(jìn)行短路模擬和開(kāi)機(jī)自我診斷。同時(shí)該負(fù)載可以通過(guò)GPIB與上位機(jī)進(jìn)行通信。

1.3 數(shù)字萬(wàn)用表

對(duì)直流電源模塊測(cè)試時(shí)，為了保證對(duì)電源模塊內(nèi)部參數(shù)的準(zhǔn)確校驗(yàn)，需要選用高精度多功能的智能萬(wàn)用表，該萬(wàn)用表應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)V、I和溫度等參數(shù)的高精度自動(dòng)測(cè)試。對(duì)比了不同型號(hào)智能萬(wàn)用表，并基于實(shí)際情況最終選用Agilent 34970A。Agilent 34970A精度高，并且可以通過(guò)上位機(jī)便捷地切換測(cè)量的參數(shù)類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)一個(gè)設(shè)備測(cè)試不同參數(shù)，非常適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 LabVIEW測(cè)試界面設(shè)計(jì)

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

圖2 上位機(jī)界面

圖3 測(cè)試項(xiàng)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(jì)是在國(guó)際通用的PMBus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行，在該協(xié)議下利用智能萬(wàn)用表讀取的數(shù)據(jù)并不是十進(jìn)制的數(shù)據(jù)，因此需在讀取時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiě)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(jì)

可編程電源采用GPIB進(jìn)行通信。數(shù)字電源通過(guò)GPIB協(xié)議并同過(guò)GPIB板卡實(shí)現(xiàn)了通過(guò)上位機(jī)對(duì)可編程電源的電壓、電流的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了利用一種輸入電源設(shè)備對(duì)多種型號(hào)數(shù)字直流電源模塊的測(cè)試，方便了實(shí)際的應(yīng)用。圖5為可編程電源的驅(qū)動(dòng)程序。

圖5 可編程電源驅(qū)動(dòng)

2.4 Agilent 34970A軟件設(shè)計(jì)

對(duì)電源模塊參數(shù)性能評(píng)估中，需要通過(guò)Agilent 34970A表對(duì)數(shù)字電源模塊的Iin、Vin、Iout、Vout和電源模塊在運(yùn)行時(shí)的溫度進(jìn)行快速精準(zhǔn)采集。圖6為在LabVIEW軟件下編寫(xiě)的Agilent 34970A驅(qū)動(dòng)程序。

圖6 Agilent 34970A驅(qū)動(dòng)

2.5 WinI2C 軟件設(shè)計(jì)

電源模塊與外部可編程設(shè)備之間的通信是通過(guò)GPIB協(xié)議來(lái)實(shí)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(guò)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(lái)的。因此在編寫(xiě)WinI2C驅(qū)動(dòng)程序時(shí)按照PMBus協(xié)議編程，從而實(shí)現(xiàn)了利用WinI2C板卡實(shí)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(dòng)程序。

圖7 WinI2C 驅(qū)動(dòng)

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)已經(jīng)在上海某電源廠商中進(jìn)行PMBus測(cè)試。為了驗(yàn)證該裝置的可靠性，將Q54SJ12067模塊利用該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

圖8為對(duì)某電源模塊Power measurement的部分測(cè)試數(shù)據(jù)。通過(guò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確的同時(shí)采集到了在Vin和負(fù)載改變的條件下，測(cè)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(duì)電源模塊內(nèi)部參數(shù)的校驗(yàn)和電源模塊性能的評(píng)估。

從圖8測(cè)試結(jié)果可以看出，采用基于電源管理總線(PMBus)的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)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(cè)試的時(shí)間。方便了工作人員通過(guò)數(shù)字電源內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)對(duì)電源模塊進(jìn)行精準(zhǔn)校驗(yàn)。同時(shí)也避免了測(cè)試人員手動(dòng)測(cè)試帶來(lái)的不必要的干擾，使得測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖8 某電源模塊實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)不同型號(hào)電源模塊的測(cè)試，并與其研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)誤差范圍比較，可知該系統(tǒng)對(duì)電源模塊電流、電壓、溫度等各個(gè)測(cè)試結(jié)果的誤差均控制在模塊研發(fā)設(shè)計(jì)要求的區(qū)間內(nèi)。Q54SJ12067直流開(kāi)關(guān)電源測(cè)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(cè)試要求。

圖9 模塊誤差范圍

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

圖10 長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)這種測(cè)試方式可以方便地測(cè)試數(shù)字電源模塊是否發(fā)生通信中斷問(wèn)題，該測(cè)試通過(guò)自動(dòng)定時(shí)發(fā)送指令來(lái)采集電源模塊通信通道，長(zhǎng)時(shí)間與電源模進(jìn)行測(cè)試，避免了測(cè)試人員長(zhǎng)時(shí)間手動(dòng)對(duì)電源模塊進(jìn)行通信測(cè)試和長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)測(cè)試，更加科學(xué)合理地驗(yàn)證數(shù)字電源模塊的通信問(wèn)題。通過(guò)對(duì)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(zhǎng)時(shí)間測(cè)試中并未發(fā)生通信中斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)得到了電源廠商的認(rèn)可，并在上海某企業(yè)中得到應(yīng)用，通過(guò)對(duì)大量數(shù)字電源模塊的測(cè)試，該測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性高，得到了企業(yè)的認(rèn)可。該測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的測(cè)試，省去了勞動(dòng)力，并且可以客觀、準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，并將測(cè)試的結(jié)果自動(dòng)填充到Excel中，方便了研發(fā)人員對(duì)不同測(cè)試條件下電源模塊參數(shù)的分析和校驗(yàn)。