一款電池管理芯片的硬件測試平臺設計與實現(xiàn)

劉 蒙,曹 貝,付方發(fā),崔燕哲

(1.黑龍江大學 電子工程學院,哈爾濱 150080;2.哈爾濱工業(yè)大學 微電子中心,哈爾濱 150001)

0 引 言

從當前全球集成電路發(fā)展來看,我國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈整體正處于打破相對低端位置[1-2],專業(yè)技術不能完全覆蓋核心環(huán)節(jié)的問題亟待解決[3]。近年來,在國家多項政策和資金支持下,我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛并一直保持著穩(wěn)定的漲幅[4-5]。在芯片設計、制造、封裝和測試環(huán)節(jié)中,測試是確保芯片良率和成本控制的重要內(nèi)容[6-7]。由于集成電路芯片測試領域起步較晚,集成電路測試業(yè)的發(fā)展較弱,還有諸多技術問題有待解決[8]。目前,為保障芯片質(zhì)量,芯片測試大多使用價格昂貴的自動測試設備(Automatic test equipment,ATE) 進行測試[9],然而ATE存在測試設備價格過高,導致測試成本升高,難以實現(xiàn)芯片定制化測試等問題[10]。

為了降低芯片測試成本,提高芯片測試質(zhì)量與測試的便捷性,針對一款電池管理芯片BQ76930進行了硬件測試平臺的開發(fā)與實現(xiàn),使用STM32進行通信,結合上位機,構成完整芯片測試平臺。設計實現(xiàn)的硬件測試平臺生成測試信號,對測試響應信號進行采集,并對通信協(xié)議解析后向上位機發(fā)送測試數(shù)據(jù),進行芯片測試,獲得測試結果。為驗證本文設計的正確性,將上位機所得數(shù)據(jù)與測試設備測量得到的數(shù)據(jù)進行比對分析,實驗結果表明,所開發(fā)的硬件測試平臺對待測芯片測試的作用,可實際應用于BQ76930芯片的測試工作中,靈活高效地開展該款芯片的測試工作。

1 測試平臺系統(tǒng)設計

BQ76930是一款低功耗的模擬前端電池管理芯片,適用于6～10節(jié)鋰離子電池組,最高可支持50 V輸入電壓下對電池組進行管理和保護[11],具備控制電池組充放電以及平衡電池組的功能。芯片具有模數(shù)轉換器和庫侖電荷計數(shù)器(Coulomb counter,CC)等功能模塊,可以對電池組電壓、電流、芯片內(nèi)部和外部溫度進行監(jiān)測。針對芯片中監(jiān)測子系統(tǒng)、保護及控制子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)等進行各硬件電路模塊的設計,硬件測試平臺架構設計如圖1所示。

圖1 硬件測試平臺架構Fig.1 Architecture of hardware test platform

芯片內(nèi)部主要由4個子系統(tǒng)構成,分別為監(jiān)測、保護、控制以及通信子系統(tǒng),其中芯片的監(jiān)測子系統(tǒng)具備對電池組的電壓、電流和溫度進行精確監(jiān)測的功能,芯片的保護子系統(tǒng)具有多種故障保護機制,在過壓、欠壓、過流放電、短路放電以及芯片內(nèi)部邏輯故障狀態(tài)下,系統(tǒng)通過控制芯片的充電CHG和DSG兩個引腳的驅(qū)動器,實現(xiàn)對于電池組和硬件的保護。芯片的控制子系統(tǒng)集成了多個用于電池管理的模塊,具有線性穩(wěn)壓輸出、負載檢測、電池組單元平衡和故障警報信號輸出等功能。待測芯片具有標準的100 kHz的I2C接口,可以通過I2C總線與主控芯片進行通信。芯片的時鐘信號在主機與多個從機設備進行一對多的I2C通信時,各個從機設備的時鐘信號與主機同步,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2 監(jiān)測功能測試電路模塊設計

待測芯片中監(jiān)測子系統(tǒng)主要是對電池組的電壓、電流及溫度參數(shù)進行精確監(jiān)測,關鍵硬件是14位的ADC和16位的CC,結合芯片相關對應的引腳,針對該部分芯片功能開發(fā)測試電路模塊,實現(xiàn)待測芯片對于被管理電池組的電壓、電流和溫度的監(jiān)測功能的測試。

2.1 電壓采集電路模塊設計

被管理的電池組與待測芯片的VC0～VC5、VC5b～VC10引腳相連,芯片工作時,監(jiān)測子系統(tǒng)中14位的ADC以50 ms的采樣周期,對電池組的電壓值進行采集,得到電池組的總電壓及各個電池單元的電壓。測試平臺對所采集的電壓值進行監(jiān)測,電壓采集電路如圖2所示。電壓采集電路模塊具有監(jiān)測被管理電池組電壓的功能。為確保實驗環(huán)境的安全性,同時考慮到測試環(huán)境的真實性與測試的可控性,設計中采用串聯(lián)電阻R1～R10,外加可調(diào)節(jié)電壓源的方式模擬電池組,為防止電壓源輸入反接對芯片造成損害,在可調(diào)節(jié)電壓源的正負極之間,串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管D1。

圖2 電壓采集電路Fig.2 Voltage acquisition circuit

2.2 電流采集電路模塊設計

電池管理芯片的監(jiān)測子系統(tǒng)是通過敏感電阻正端SRN和負端SRP兩個引腳進行的,其中16位的CC按照電池電流對時間積分的方式,計算電流敏感電阻上累積的電荷量,并以250 ms的采樣周期對測量電流值進行采樣,從而實現(xiàn)對于電池組電流的監(jiān)控。因此,為測試芯片的電流監(jiān)測功能是否可以正確使用,測試平臺中電流采集電路模塊在芯片SRN、SRP兩引腳間設計一個電流敏感電阻RSNS,在電流敏感電阻RSNS和SRN、SRP兩個引腳之間分別設計,加入RC濾波電路,以提高電流采集信號的質(zhì)量,電流采集電路模塊具體電路設計如圖3所示。

圖3 電流采集電路Fig.3 Acquisition circuit of current

電流敏感電阻RSNS作為關鍵器件,選擇時需要考慮芯片的過流放電故障(Overcurrent discharge,OCD)、短路放電故障(Short-circuit discharge,SCD)以及其在電池組充放電過程中的電流參數(shù)。該款電池管理芯片可實現(xiàn)持續(xù)100 μs、25.00 A的SCD故障保護,以及持續(xù)320 ms、15.00 A的OCD故障保護,根據(jù)式(1)計算電流敏感電阻RSNS的最大電阻值RSNS_MAX為：

(1)

式中：VThreshold為芯片的最大SCD閾值電壓和OCD閾值電壓;ILIM為芯片可支持SCD峰值和OCD峰值的電流。

根據(jù)芯片的設計數(shù)據(jù),將相應電壓和電流參數(shù)代入式(1),即可得出電流敏感電阻的阻值范圍。為確保芯片在SCD和OCD故障狀態(tài)下能及時關閉充放電回路,本模塊選用1 mΩ的電流敏感電阻,提高電流采樣精度,降低SRN和SRP兩引腳間的共模電壓,提高了測試過程中芯片的安全性。

2.3 溫度采集電路模塊設計

芯片監(jiān)測子系統(tǒng)中對溫度的監(jiān)測是通過兩個溫度采集引腳TS1和TS2完成的,TS1和TS2分別連接兩個熱敏電阻。監(jiān)測電池組的溫度時,14位的ADC可以對熱敏電阻兩端電壓進行采樣,而后通過分壓原理計算得到熱敏電阻阻值,進而確定電池組的溫度值。待測芯片的溫度采集可以通過配置相應寄存器,選擇采集待測芯片內(nèi)部溫度或芯片外部溫度。芯片內(nèi)部有溫度采集電路,因此不需要在測試板中額外設計電路。芯片的外部溫度監(jiān)測功能用來保證電池組在過溫、低溫下的安全性。在進行芯片外部溫度采集電路模塊設計時,需要考慮芯片內(nèi)部具有一個阻值為10 kΩ的上拉電阻。

芯片外部溫度采集電路模塊如圖4所示,一個滑動變阻器連接至TS1與VSS之間,另一個滑動變阻器連接至TS2與VC5x之間,通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值大小來模擬熱敏電阻阻值隨溫度變化的情況。考慮到芯片內(nèi)部具有一個阻值為10 kΩ的上拉電阻,在此芯片進行實際應用時,在TS1和TS2引腳分別串聯(lián)一個熱敏電阻,通過歐姆定律計算熱敏電阻的阻值,來得到芯片外部溫度。由于實驗室環(huán)境無法提供溫度變化較大的測試環(huán)境,因此使用滑動變阻器代替熱敏電阻。

圖4 芯片外部溫度采集電路Fig.4 Acquisition circuit of chip external temperature

3 通用功能測試電路模塊設計

通用功能測試電路模塊設計主要包括供電模塊電路設計和啟動模塊電路設計。BQ76930電池管理芯片的BAT引腳為芯片的電源端,REGSRC引腳為REGOUT、CHG和DSG等引腳供電,通用模塊電路如圖5所示。在設計供電模塊時,沒有使用外加電源,而是使用被管理的電池組,也就是可調(diào)節(jié)電壓源為供電模塊提供電壓。供電電源經(jīng)過R42和C18構成的濾波電路與芯片的BAT和VC5x引腳相連,減小了直流電壓中的交流成分,使輸入電壓紋波系數(shù)降低,減小對芯片的干擾。

圖5 通用測試電路Fig.5 General test circuit

由于芯片的BAT引腳電壓有可能大于REGSRC引腳的最大可接受電壓,因此在為REGSRC引腳供電時,采用基于源極跟隨器的電路結構對模塊進行設計。既可以將輸入電壓從BAT引腳電壓降低至一個適合于REGSRC引腳工作的電壓,又可以為REGSRC引腳提供來自電池正極的電流。二極管D1和D2分別接入VC10和BAT、VC5和VC5x之間,電壓差不會超過最大允許電壓值7.00 V,避免對芯片造成損壞。

設計硬件測試平臺的啟動模塊時,采用芯片VC1引腳電壓作為硬件測試平臺的啟動電壓,按下開關BOOT鍵,在TS1引腳上加一個大于1.00 V的電壓,芯片便進入正常工作模式,同時可開始進行芯片測試操作。

4 控制與保護功能測試電路模塊設計

待測芯片具有放電回路驅(qū)動引腳DSG和充電回路驅(qū)動引腳CHG,可以通過控制芯片DSG引腳和CHG引腳的高低電平來控制充放電回路的通斷,當CHG引腳為高電平時,場效應管Q1與Q3導通,充電器對電池組充電。限流電阻R38分壓并限制流入CHG引腳的電流,二極管D3將Q2的柵級電壓拉高保護柵級。當DSG引腳為高電平時,場效應管Q2的柵源電壓大于開啟電壓,Q2導通使電池組可以通過負載放電。其中R36和R37用來提高電路抗干擾能力,防止場效應管Q2因為靜電等發(fā)生意外導通,對待測芯片造成損害,從而達到保護電池組的目的,充放電保護模塊電路圖如圖6所示。

圖6 控制與保護測試電路Fig.6 Control and protection circuit

5 通信功能電路模塊設計

測試系統(tǒng)的MCU采用STM32F103系列單片機,其內(nèi)核是Cortex-M3,具有多種可擴展外設資源[12]。通信模塊與測試板之間采用I2C通信,其SCL、SDA和GND 引腳分別與待測芯片相應引腳相連,上位機通過USB端口與通信模塊相連,實現(xiàn)上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸,采用手動復位的方式,復位按鍵按下時,MCU的RESET端與GND端相連,實現(xiàn)復位。模塊采用8 MHz的晶振與22 pF的電容作為起振電路,滿足振蕩的相位條件。在電路的設計過程中,預留了調(diào)試接口,以供程序的燒寫及調(diào)試。將電路MCU的BOOT0端與BOOT1端引出,可以作為MCU的啟動方式,增加芯片測試工作便捷性。

6 PCB板的設計與制作

基于以上硬件測試平臺中各模塊電路設計,對硬件測試平臺的PCB版圖進行設計,考慮到測試板的成本和布線的復雜性,本測試板采用雙層銅板進行設計,測試板的PCB版圖如圖7所示。為了在測試過程中不損傷芯片,根據(jù)待測芯片的封裝類型,選用對應的芯片測試座(Socket)作為芯片同測試板的接口,便于待測芯片的更換與測試。采用12位的編碼開關和11針腳的線對板連接器,在實際測試應用中可使測試板能夠外接鋰離子電池組,結合待測電池管理芯片進行實際測試工作。

圖7 測試板的PCB版圖Fig.7 PCB layout of the test board

在PCB版圖布局布線時,將高電流區(qū)域和低電流區(qū)域分別進行布局,可避免高電流信號對低電流信號造成干擾,同時,考慮到高電流區(qū)域在電池充放電過程中會產(chǎn)生較高的熱量,在PCB板的上下兩層進行敷銅的基礎上,在高電流區(qū)域內(nèi)打一定數(shù)量的散熱過孔,避免PCB板局部熱量過高,對硬件造成損害。測試板制作成品如圖8所示。圖8所示的測試板上的關鍵部件已采用圓形符號進行圈畫,具體數(shù)字編號所對應測試板關鍵部件功能如表1所示。

表1 測試板關鍵部件功能表Table 1 Function table of key components of the test board

圖8 PCB測試板Fig.8 PCB board

7 測試驗證

將芯片的硬件測試平臺和上位機進行聯(lián)合調(diào)試,完成硬件測試平臺的功能驗證和實際芯片的測試,將所測試數(shù)據(jù)與采用各設備所測數(shù)據(jù)進行了對比分析和驗證。測試系統(tǒng)采用PC機的USB接口與硬件測試平臺進行通信,通過此接口傳輸測試向量和測試數(shù)據(jù)完成具體的測試工作。同時,硬件測試平臺預留了測試點和指示燈等外設,便于系統(tǒng)的功能驗證,硬件測試平臺架構如圖1所示。為更好地完成芯片測試平臺的驗證,首先對芯片測試方案進行制定,本測試系統(tǒng)采用一塊驗證為好的電池管理芯片作為待測芯片,用以檢驗上位機是否可以完整準確地對此芯片的各個功能進行測試。接下來,在對芯片進行具體的功能測試之前,使用萬用表對芯片各引腳的電壓進行測量,通過測試芯片供電引腳和穩(wěn)壓輸出等關鍵引腳電壓,確定芯片處于正常工作狀態(tài)。最后,將芯片測試系統(tǒng)的自動化測試結果與手動測試結果進行對比,根據(jù)兩組數(shù)據(jù)的比較結果判斷測試系統(tǒng)的準確性。

7.1 電壓監(jiān)測功能測試

電壓監(jiān)測的對象是待測電池管理芯片對10節(jié)電池的電壓和總電壓,將輸出電壓為19.670 V電壓源的正負極分別與測試板的BAT+、BAT-相連。如表2所示為5節(jié)電池的電壓監(jiān)測功能測試結果對比,其中第二列為本文所設計測試系統(tǒng)采集的電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)。由表2電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知,測試系統(tǒng)采集的電壓監(jiān)測功能測試數(shù)據(jù)和相比于萬用表測量的數(shù)據(jù)之間存在著平均24.80 mV的差值,不排除兩者之間誤差可能是由電池管理芯片的電壓采樣精度或萬用表測量精度低等問題帶來的。

表2 電壓監(jiān)測功能測試結果對比Table 2 Comparison of test results of voltage monitoring function

7.2 電流監(jiān)測功能測試

為驗證電流監(jiān)測功能的測試,除使用測試系統(tǒng)外,還額外采用萬用表進行測試,并對比兩種測試結果。采用萬用表進行測試時,為避免電流過大,在測試板的負載端接入一個10 kΩ的電阻,通過在芯片的正常工作模式下,打開芯片的充放電驅(qū)動端,使整個電流回路連通,再使用萬用表對回路電流進行測量,芯片的電流監(jiān)測功能測試結果對比如表3所示。可以看出,系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)最大誤差值為11 mA,萬用表測量數(shù)據(jù)的最大數(shù)據(jù)差為35 mA,在測試系統(tǒng)采集的電流監(jiān)測功能測試數(shù)據(jù)和萬用表測量的數(shù)據(jù)之間進行對比,最大存在88 μA的誤差,平均誤差74 μA。誤差可能是測試板中電流敏感電阻的精度或萬用表表頭靈敏度較低造成的。

表3 電流監(jiān)測功能測試結果對比Table 3 Comparison of test results of current monitoring function

7.3 溫度監(jiān)測功能測試

溫度監(jiān)測功能分為內(nèi)部溫度監(jiān)測功能和外部溫度監(jiān)測功能,芯片的內(nèi)部溫度即為此時的工作溫度,通過測試系統(tǒng)發(fā)送內(nèi)部溫度采集測試向量,即可得到TS1和TS2兩個溫度引腳所監(jiān)測的內(nèi)部溫度,由于實驗室內(nèi)很難模擬出溫差較大的環(huán)境,因此本設計采用外部可調(diào)節(jié)電阻器來替代熱敏電阻,通過對比測試系統(tǒng)采集到的可調(diào)電阻器的阻值,與萬用表實際測試的阻值進行對比,兩者存在的誤差處于可接受范圍,測試結果表明系統(tǒng)可以對待測電池管理芯片的溫度監(jiān)測功能進行有效的測試。芯片的外部溫度監(jiān)測功能測試結果對比如表4所示。可以看出,測試系統(tǒng)采集外部溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)和溫度計測量的數(shù)據(jù)之間,存在最大0.3 ℃的誤差,測試系統(tǒng)所測芯片工作溫度-40.0～85.0 ℃,測試存在的誤差大小在可接受范圍。

表4 芯片的外部溫度監(jiān)測功能測試結果對比Table 4 Comparison of test results of external temperature monitoring function of chip

8 結 論

測試是保證芯片質(zhì)量的關鍵步驟,提高測試效率和降低成本是芯片測試主要目標,因此,根據(jù)應用需求,設計了一款針對BQ76930電池管理芯片的測試系統(tǒng),完成了芯片硬件測試平臺的電路設計與PCB板制作。通過待測芯片的各個子系統(tǒng)和工作模式,提出了該芯片硬件測試平臺的總體架構,主要包括監(jiān)測模塊、通用模塊、控制及保護模塊,在模塊設計時充分利用了可調(diào)節(jié)電壓源,提高硬件測試平臺性能的同時為并行的芯片測試提供了可能。對芯片測試系統(tǒng)進行實際的測試,將測試結果和手動測試結果進行對比,并進行了相應的誤差分析,實驗結果表明所設計的硬件測試平臺可以對待測芯片進行有效可靠的測試,降低了芯片測試的成本,可提高測試效率。