基于PMBus总线的电源管理总线测试系统的研制

(1.辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 1210011； 2.天津科技大学 电子信息与自动化学院，天津 300000)

目前市场上大部分DC/DC电源仍不是数字可控制的。如果需要改变电源模块的各种参数,需要通过改变电源模块的电容、电阻等器件来完成。市场上出现的数字可控电源模块并没有统一的标准协议[1]。在PMBus协议出现之后，为了可以使数字电源行业有统一的通信标准，大型电源厂家通过统一使用PMBus协议来设立统一标准[2-4]。正因为业界有了统一的规范，在设计自动测试系统时，可以按照规范进行设计，使不同种类的电源模块都可以适应测试系统[5]。为此，提出基于PMBus总线自动测试系统，该系统大幅节省了劳动力，并且缩短了测试的时间，以便于研发人员对参数的校验和性能的评估。

以测试电源模块的各种功能和PMBus电源总线为依据，设计了结合LabVIEW和数字电源模块的自动测试系统。LabVIEW与电源模块之间通过Win-I2C进行通信，数字电源、数字负载和安捷伦之间通过GPIB进行连接，并通过GPIB-USB与LabVIEW通信。测试得到的数据自动填充到预先设计的Excel表中，而且当测量的数据出现错误时，系统自动记录，使研发人员可以快速准确地了解电源模块的功能。

1 系统总统设计方案

系统采用工业上使用的虚拟仪器来进行上位机界面的搭建[6-7]，基于GPIB、PMbus标准总线方式，通过上位机和GPIB板卡将测试设备与被测电源相连，构成实时监控系统。系统结构如图1所示。上位机输入正确的设备地址，通过GPIB来控制设备的数字电源、负载和安捷伦，再通过Win-I2C将被测模块与上位机相连。上位机给测量设备和模块发送不同的指令，数字电源、负载做出相应的设置，使被测试模块处于不同的电气状态，比如VOUT_OVP、OTP、VIN_OVP等，然后利用Win-I2C板卡将电源模块中的不同参数信息传回计算机，计算机通过设计好的程序将数据处理并自动填充到表格中。

图1 系统结构框图

1.1 数字可编程电源

研制人员研发的电源模块功能测试需要在电源设计参数下进行，因此要选用可以满足电源正常运行的外部设备[8-11]。对于智能可控直流电源模块，它的突出功能是可以在一定范围的输入电压下保证输出的直流电压为稳定的值。而在不同的输入电压下，数值直流电源模块内部的各种参数指标不同，电源模块运行在不同的工作模式下。为了实现对电源模块的自动测试，应选用可以通过计算机对其智能控制并可以为数字直流电源模块提供精确输入值的数值可控电源。并且该电源可以实现将实时测试数据上传的功能。系统在保证可靠要求下，充分考虑系统良好的性价比，选用CHROMA可程控直流电源Model 62000P Series。该直流电源可以有效地通过GPIB来控制，电压输出范围大，而且具有过电压、限电流和过温度的保护功能。

1.2 数字可编程负载

对数字电源模块测试时，在不同的负载情况下，电源模块将智能选择工作方式，此时电源模块中的各种运行、保护参数将发生变化。例如当模块内部参数VOUT_UVP、IOUT_OVP发生改变，按照设计要求此时电源模块应智能辨别其当前的工作模式，并及时对电源模块做出保护动作。在自动测试过程中为了可以测试出电源模块内部各种功能和参数的变化，也需要选用一款数字可控的电源负载，该负载应精准满足电源模块所设计的负载值。与不同型号负载参数对比，结合实际情况选用CHROMA可编程大功率直流电子负载。并且可以进行短路模拟和开机自我诊断。同时该负载可以通过GPIB与上位机进行通信。

1.3 数字万用表

对直流电源模块测试时，为了保证对电源模块内部参数的准确校验，需要选用高精度多功能的智能万用表，该万用表应实现对V、I和温度等参数的高精度自动测试。对比了不同型号智能万用表，并基于实际情况最终选用Agilent 34970A。Agilent 34970A精度高，并且可以通过上位机便捷地切换测量的参数类型，实现了通过一个设备测试不同参数，非常适合现场测试。

2 系统设计

2.1 LabVIEW测试界面设计

利用LabVIEW软件搭建上位机界面，可以将测量数据实时显示在上位机上，方便测试人员观察[12]。上位机界面如图2所示。通过LabVIEW界面可以选择需要测试的项目，还可以将测试的数据和测试的具体项目在界面中显示出来[13-14]，如图3所示，用来测试输入输出电压和模块温度，每个测试项目都包含模块控制芯片中读取的值和经过特定公式换算得到的电压电流和温度，方便测试人员比较。

图2 上位机界面

图3 测试项目显示

2.2 数据转换PM11 TO INT 16

数字电源的研发设计是在国际通用的PMBus协议标准下进行，在该协议下利用智能万用表读取的数据并不是十进制的数据，因此需在读取时将数据进行转换。图4(a)为Iin、Vin、Iout和温度数字转换规则。图4(b)为Vout的规则。图4(c)为基于上述两种规则并利用LabVIEW编写的转换程序。

图4 数据读取方法

2.3 可编程电源软件设计

可编程电源采用GPIB进行通信。数字电源通过GPIB协议并同过GPIB板卡实现了通过上位机对可编程电源的电压、电流的调控，实现了利用一种输入电源设备对多种型号数字直流电源模块的测试，方便了实际的应用。图5为可编程电源的驱动程序。

图5 可编程电源驱动

2.4 Agilent 34970A软件设计

对电源模块参数性能评估中，需要通过Agilent 34970A表对数字电源模块的Iin、Vin、Iout、Vout和电源模块在运行时的温度进行快速精准采集。图6为在LabVIEW软件下编写的Agilent 34970A驱动程序。

图6 Agilent 34970A驱动

2.5 WinI2C 软件设计

电源模块与外部可编程设备之间的通信是通过GPIB协议来实现的。而数字电源模块内部参数的读取和参数的设置则是通过WinI2C协议。WinI2C利用的是I2C总线，而PMBus总线是在I2C总线发展而来的。因此在编写WinI2C驱动程序时按照PMBus协议编程，从而实现了利用WinI2C板卡实现电源模块内部参数读取和其内部参数的修改。图7为WinI2C的驱动程序。

图7 WinI2C 驱动

3 系统应用

该系统已经在上海某电源厂商中进行PMBus测试。为了验证该装置的可靠性，将Q54SJ12067模块利用该自动测试系统进行测试。

图8为对某电源模块Power measurement的部分测试数据。通过自动测试系统快速、准确的同时采集到了在Vin和负载改变的条件下，测试电源模块内部A/D元件采集到的Vout、温度和外部设备采集的Vout、温度数据，方便了工作人员对电源模块内部参数的校验和电源模块性能的评估。

从图8测试结果可以看出，采用基于电源管理总线(PMBus)的测试方法进行测试，实现了同时测量数字电源内部数据与外部设备采集数据，并大幅缩短了测试的时间。方便了工作人员通过数字电源内部数据与外部数据的对比来对电源模块进行精准校验。同时也避免了测试人员手动测试带来的不必要的干扰，使得测试结果更准确。

图8 某电源模块实时测试数据

通过对不同型号电源模块的测试，并与其研发设计时误差范围比较，可知该系统对电源模块电流、电压、温度等各个测试结果的误差均控制在模块研发设计要求的区间内。Q54SJ12067直流开关电源测试结果均在图9所规定的误差显示的范围内，符合测试要求。

图9 模块误差范围

图10为Regulation Loop Communication Test的部分测试数据。

图10 长时间运行监测结果

通过这种测试方式可以方便地测试数字电源模块是否发生通信中断问题，该测试通过自动定时发送指令来采集电源模块通信通道，长时间与电源模进行测试，避免了测试人员长时间手动对电源模块进行通信测试和长时间定时测试，更加科学合理地验证数字电源模块的通信问题。通过对图10所示数据的观察，可以直观发现该电源模块在长时间测试中并未发生通信中断。

4 结束语

该测试系统已经得到了电源厂商的认可，并在上海某企业中得到应用，通过对大量数字电源模块的测试，该测试系统稳定性、可靠性高，得到了企业的认可。该测试系统实现了自动化的测试，省去了劳动力，并且可以客观、准确地采集数据，并将测试的结果自动填充到Excel中，方便了研发人员对不同测试条件下电源模块参数的分析和校验。