PMIC电压基准检测：原理、方法与关键考量

电压基准是PMIC（电源管理集成电路）的“心脏”，为内部电压调节、AD/DA转换、保护阈值设定等关键功能提供精确、稳定的电压参考。其性能直接影响整个电源系统的精度、稳定性和可靠性。因此，电压基准的检测是PMIC开发、生产和应用验证中至关重要的环节。

一、电压基准的核心作用与关键指标

  • 精确度： 输出实际电压值与标称值之间的偏差。常用初始精度和温漂表示。
  • 稳定性：
    • 温度稳定性： 输出电压随环境温度变化的程度（温漂）。
    • 长期稳定性： 输出电压随时间（老化）的变化程度。
    • 电源抑制比： 输出电压对输入电源电压变化的抑制能力。
    • 负载调整率： 输出电压随输出负载电流变化的程度。
  • 噪声： 基准源自身产生的输出电压波动（通常在特定频带内测量）。
  • 动态响应： 在输入电压突变或负载电流突变时，输出电压恢复稳定的速度和特性。
  • 静态电流： 基准源自身工作消耗的电流（影响系统效率）。
 

二、电压基准检测的核心方法

电压基准检测通常在特定的测试点进行，通常连接到PMIC的专用引脚或通过内部寄存器配置输出。

  1. 静态参数测试：

    • 初始输出电压：
      • 方法： 在规定的输入电压、负载电流、环境温度（通常25°C）下，使用高精度数字万用表直接测量基准电压输出端的电压值。
      • 关键设备： 高精度数字万用表（通常要求精度优于待测基准精度的1/3以上）、精密恒温箱、低噪声可编程电源、精密电子负载。
      • 要点： 确保测试环境稳定，连接线短且牢固，避免引入额外噪声或压降。预热时间需遵循规格书要求。
    • 温度系数：
      • 方法： 将PMIC置于精密恒温箱内，在规定的温度范围（如-40°C, 25°C, 85°C, 125°C等）内，测量每一温度点的输出电压。利用线性回归或特定公式（如盒式法）计算温漂系数（通常以ppm/°C为单位）。
      • 关键设备： 精密恒温箱（控温精度高、稳定性好）、高精度数字万用表。
      • 要点： 温度稳定时间要足够长，确保芯片内部温度均匀。温度变化速度不宜过快，避免热应力或测量滞后误差。
    • 负载调整率：
      • 方法： 在固定输入电压和温度下，使用精密电子负载改变输出负载电流（通常在0到最大额定负载电流范围内变化），测量输出电压的最大变化量。调整率通常计算为 ΔVout / Vout(nominal) * 100%。
      • 关键设备： 精密可编程电子负载、高精度数字万用表、低噪声电源。
      • 要点： 负载切换速度要可控，避免引入动态干扰影响读数。注意最小负载电流要求（如有）。
    • 电源抑制比：
      • 方法： 在固定负载和温度下，改变输入电源电压（通常在规定的最小值和最大值之间变化或叠加特定频率的交流纹波），测量输出电压的变化量。PSRR通常计算为 20 * log10 (ΔVsupply / ΔVout)（单位为dB）。
      • 关键设备： 可编程电源（具备叠加交流信号功能）、网络分析仪或高精度示波器（用于分析交流响应）、频谱分析仪（用于特定频率点测试）、精密电子负载。
      • 要点： 直流PSRR通过改变直流输入电压测量电压变化。交流PSRR（更常用）是在直流电源上叠加不同频率（通常从低频到数百kHz或MHz）的正弦小信号扰动，测量输出电压的响应衰减程度。
    • 静态电流：
      • 方法： 在PMIC其他模块关闭或最小工作状态下，将高精度电流表串联在电压基准的供电路径上（或测量PMIC总静态电流并扣除已知其他模块电流），直接测量基准源工作所需的电流。
      • 关键设备： 皮安表或高精度电流源测量单元。
      • 要点： 确保PMIC处于正确的待机或关闭模式，排除其他电路的电流干扰。测量路径阻抗需极低。

  2. 动态参数与噪声测试：

    • 输出噪声电压：
      • 方法： 测量基准输出端在特定频带内（如0.1Hz-10Hz, 10Hz-100kHz）的噪声电压有效值。常用方法：
        • 使用低噪声、高增益放大器驱动低噪声示波器，在时域观察并测量峰峰值或有效值。
        • 使用频谱分析仪直接测量输出噪声频谱密度，再积分计算目标频带内的总噪声。
      • 关键设备： 超低噪声放大器、低噪声示波器、频谱分析仪、低噪声直流电源、高质量隔直电容。
      • 要点： 这是极具挑战性的测试，需要极其仔细的屏蔽、接地和低噪声供电。探头连接和接地环路噪声是主要误差源。通常需要使用差分探头或精心设计的单端探头连接。测量电路带宽需设定准确。
    • 瞬态响应：
      • 方法： 快速改变负载电流（使用高速电子负载），观测输出电压的过冲、下冲幅度以及恢复到规定误差带内所需的时间。
      • 关键设备： 高速电子负载（电流爬升/下降时间快）、高带宽、高分辨率示波器、低噪声电源。
      • 要点： 探头带宽和接地至关重要。触发设置要准确捕捉瞬态跳变点。注意测量点（Kelvin连接减少导线电感影响）。
 

三、搭建可靠测试平台的关键要素

  1. 低噪声电源与环境： 使用低纹波、低噪声的线性电源供电。测试平台应置于屏蔽良好的环境中，远离电磁干扰源。
  2. 精密测量仪表： 万用表、示波器、频谱仪等需满足精度、分辨率、带宽要求，并定期校准。
  3. 低热阻抗连接与温度控制： 确保PMIC与温度控制表面（如恒温箱热板）良好导热。温度传感器应靠近被测芯片。
  4. 精确的信号路由与接地： 使用短而粗的导线，高质量的同轴电缆和探头。采用星型接地或单点接地策略，最大限度减少接地环路。
  5. 屏蔽与隔离： 对易受干扰的信号线（尤其是噪声测量电路）进行屏蔽。使用隔离变压器或电池供电为敏感电路供电。
  6. 自动化测试系统： 对于量产测试或大量数据分析，需构建基于精密仪表控制单元的自动化测试系统，确保测试的一致性和效率。
 

四、测试面临的挑战与应对

  • 微伏级测量： 高精度基准的噪声和温漂通常在微伏级别，极易被环境噪声、热电动势、仪表误差淹没。需严格的屏蔽、低热电势连接、高精度仪表和多次平均。
  • 频率范围宽广： PSRR测试需覆盖从直流到高频（MHz），噪声测试需覆盖超低频（0.1Hz）。这要求测试设备具有宽频带能力，且在低频段克服1/f噪声挑战。
  • 温度控制精度： 温漂测试要求温度箱具有极高的稳定性和均匀性。芯片内部热点的实际温度可能与箱体温度传感器指示值存在差异。
  • 负载瞬态速度： 评估动态响应需要负载电流能在极短时间内切换（纳秒级）。
  • 长期稳定性测试耗时： 老化测试通常需要数百到数千小时，需稳定的测试环境和可靠的监控系统。
 

五、总结

PMIC电压基准的检测是确保电源系统性能的关键。它要求深入理解电压基准的工作原理和性能指标，掌握专业的静态和动态测试方法，并具备搭建低噪声、高精度测试平台的工程能力。精确测量初始精度、温漂、负载调整率、PSRR、噪声等核心参数，并应对测量中的微小信号、宽频带、温度控制等挑战，才能对电压基准的性能做出全面、准确的评估。这些测试结果不仅用于验证设计是否符合规格，也为PMIC的选型、系统设计和可靠性评估提供关键依据。严谨、细致的测试是保障最终电源系统性能稳定、可靠的基础。