張鵬輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

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一種鋰電池充電電路的測(cè)試方法

張鵬輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

介紹了一種特別的鋰電池充電管理電路，以及針對(duì)該電路的測(cè)試方法，包括該測(cè)試方法的硬件設(shè)計(jì)、測(cè)試程序編寫以及提高測(cè)試穩(wěn)定性的一些措施。該電路的特別之處在于內(nèi)部集成了一個(gè)升壓模塊，相當(dāng)于內(nèi)置了一個(gè)開關(guān)電源，可以在鋰電池處于放電模式時(shí)直接將電池電壓升高輸出到負(fù)載上，這為測(cè)試工作帶來了困難，介紹了如何克服這些困難并順利完成測(cè)試。同時(shí)在測(cè)試過程中需對(duì)該電路輸出基準(zhǔn)電壓進(jìn)行修調(diào)，對(duì)修調(diào)方式做了介紹。

鋰電池充電電路；測(cè)試；熔絲修調(diào)

1　引言

鋰電池充電電路是常見的電源器件，該類電路大量用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，在生產(chǎn)和銷售過程中對(duì)成本較為敏感，對(duì)質(zhì)量控制要求高。在測(cè)試環(huán)節(jié)，需要保證測(cè)試準(zhǔn)確性的同時(shí)提高測(cè)試效率。

2　鋰電池充電電路介紹

2.1電路基本功能介紹

被測(cè)的鋰電池充電電路由輸入、輸出、控制3個(gè)部分組成，在晶圓上還有一些小接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)之間有可以熔斷的鋁條，用于基準(zhǔn)電壓修調(diào)，一般情況下用于修調(diào)的接觸點(diǎn)不進(jìn)行鍵合封裝。其管芯圖如圖1所示。

該鋰電池充電電路由VIN腳輸入電壓，由VBAT腳輸出4.2 V電壓對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，CHAR、STDBY腳為控制腳，RPROG腳通過外接電阻調(diào)節(jié)輸出端的負(fù)載能力。和一般鋰電池充電電路不同的是，該電路還集成了一個(gè)升壓模塊，當(dāng)處于鋰電池放電模式時(shí)，電路可以控制OUT腳產(chǎn)生一個(gè)5 V電壓，對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行供電。ra1～ra5和rb1～rb3均為熔絲修調(diào)專用管腳。

2.2電路升壓模塊介紹

升壓模塊由LX腳、OUT腳和VBAT腳組成，LX腳和VBAT腳之間接一個(gè)100 μH的電感L1，LX腳和OUT腳之間接一個(gè)肖特基二極管D1，在OUT腳和GND腳之間接一個(gè)負(fù)載電容Cout。當(dāng)鋰電池處于放電模式且需要升壓輸出時(shí)，電路通過LX腳的內(nèi)部開關(guān)SW控制經(jīng)過電感L的電流方向，SW閉合時(shí)LX腳相當(dāng)于短接GND，SW斷開時(shí)LX腳相當(dāng)于懸空。當(dāng)LX腳內(nèi)部開關(guān)SW閉合時(shí)，VBAT腳通過電感L和LX腳對(duì)GND形成回路。當(dāng)SW斷開時(shí)，由于線圈中的電流不能瞬時(shí)改變，就會(huì)在電感L的后端也即LX腳形成一個(gè)感應(yīng)電壓，這個(gè)電壓通過二極管D給輸出電容Cout充電。當(dāng)輸出達(dá)到額定電壓，OUT腳的反饋電路工作，閉合SW，完成一個(gè)工作周期，此時(shí)二極管D起到反向截止的作用。圖2是被測(cè)鋰電池充電電路的應(yīng)用原理圖。

圖1　鋰電池充電電路管芯圖

圖2　鋰電池充電電路應(yīng)用原理圖

3　測(cè)試方案介紹

3.1測(cè)試系統(tǒng)介紹

本方案采用某國(guó)產(chǎn)集成電路測(cè)試系統(tǒng)TRxx進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)產(chǎn)地臺(tái)灣省，是一種先進(jìn)的集成電路測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)配置有16路直流電壓電流單元（OVC），最大輸出/測(cè)量電壓12 V，最大輸出/測(cè)量電流300 mA； 4路大功率直流電壓電流單元（PVC），最大輸出/測(cè)量電流為1 A，最大輸出/測(cè)量電壓為32 V；一塊32路數(shù)字信號(hào)輸出/測(cè)量資源板（AC32），最大測(cè)試頻率20 MHz；一塊時(shí)間測(cè)量單元板（TMU），內(nèi)置4路時(shí)間測(cè)量單元，可以測(cè)試各種時(shí)間參數(shù)，同時(shí)該板還帶有32路繼電器控制位；另外該系統(tǒng)還有5 V、24 V固定電源等資源。

3.2測(cè)試方案硬件設(shè)計(jì)

為了提高測(cè)試效率，本方案進(jìn)行雙管芯并行測(cè)試，主要外圍器件和熔絲修調(diào)部分全部放在針卡板上，然后通過兩根50針的排線和測(cè)試系統(tǒng)接口板進(jìn)行連接。圖3是測(cè)試方案硬件框圖。

圖3　測(cè)試針卡硬件框圖

如圖3所示，測(cè)試機(jī)的直流電壓電流源通過排線連接到針卡上，電容、電阻、電感等外圍器件通過繼電器連接到探針上，不同參數(shù)的測(cè)試需要切換不同的外圍器件。熔絲修調(diào)部分由繼電器和修調(diào)電源組成，連接到探針上。

圖4是主要參數(shù)的測(cè)試硬件連接圖，其中兩個(gè)電阻R5和R6是BAT腳的負(fù)載電阻，通過繼電器K5、K6進(jìn)行切換，電容C4通過繼電器K4接入BAT腳，起到濾波作用。兩個(gè)繼電器K7和K8負(fù)責(zé)切換升壓轉(zhuǎn)換部分，當(dāng)二極管D1和電感L1接入被測(cè)電路后，升壓模塊啟動(dòng)，LX腳輸出開關(guān)信號(hào)，VBAT腳的電壓經(jīng)過升壓轉(zhuǎn)換后由VOUT端輸出，VOUT端的輸出負(fù)載電阻R3通過繼電器K9接入。PROG腳的采樣電阻R4通過繼電器K3接入，VIN腳的兩個(gè)濾波電容C2和C3通過繼電器K2接入。在測(cè)試主要參數(shù)VBAT腳輸出電壓時(shí)，VIN腳加5V電壓并接入C2和C3電容，K5或者K6閉合，分別測(cè)試兩種負(fù)載模式下的VBAT腳電壓。當(dāng)測(cè)試升壓模塊參數(shù)時(shí)，K7、K8和K4閉合，給BAT腳加3.6 V電壓，測(cè)試VOUT端口輸出電壓。

圖4　主要參數(shù)測(cè)試硬件圖

硬件部分的設(shè)計(jì)有幾個(gè)特別要注意的地方。首先，該鋰電池充電電路帶有一個(gè)開關(guān)電源模塊，該模塊的測(cè)試需要電感、肖特基二極管、電容等器件，這些器件必須距離被測(cè)電路管芯非常近才能保證正常工作。為了縮減外圍器件的距離，可以縮減探針的長(zhǎng)度，將探針連結(jié)點(diǎn)距離減小。同時(shí)，將外圍器件和切換繼電器放置在探針連結(jié)點(diǎn)的周圍。其次，開關(guān)電源模塊和內(nèi)置的充電電壓轉(zhuǎn)換模塊容易受外部信號(hào)干擾，尤其雙管芯并行測(cè)試時(shí)，被測(cè)的兩個(gè)管芯也容易互相干擾。這就要求在硬件設(shè)計(jì)時(shí)做好抗干擾措施，首先將兩個(gè)被測(cè)管芯的硬件在針卡上進(jìn)行隔離，將兩個(gè)管芯的地線分別引出到測(cè)試系統(tǒng)參考地上。對(duì)部分敏感回路例如開關(guān)電源的震蕩部分，使用包絡(luò)線方式連接，并在針卡板上進(jìn)行覆銅處理，通過覆銅和包絡(luò)線部分連接參考地，將振蕩信號(hào)隔離。第三，在針卡板上對(duì)地線和輸入輸出電源線路進(jìn)行加寬處理，針卡板和測(cè)試機(jī)的連接排線采用間距2.54 mm的50針腳排線，在排線上使用多個(gè)針腳作為地線。

3.3測(cè)試方案軟件部分

3.3.1測(cè)試軟件框架

測(cè)試軟件采用C語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為測(cè)試系統(tǒng)自帶的TRxx集成開發(fā)環(huán)境。整個(gè)開發(fā)流程采用自頂向下的方式，先設(shè)定基本信息，例如幾個(gè)管芯同測(cè)，定義測(cè)試機(jī)電壓電流源和管腳的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)定各個(gè)測(cè)試參數(shù)的失效信號(hào)。然后使用圖形界面搭建測(cè)試軟件框架和參數(shù)測(cè)試流程。最后編寫各個(gè)參數(shù)的具體測(cè)試源代碼。圖5是測(cè)試程序的簡(jiǎn)化流程圖。

圖5　測(cè)試程序流程圖

3.3.2測(cè)試參數(shù)介紹

整個(gè)測(cè)試程序包括二極管通斷、功能、基準(zhǔn)、開關(guān)電源部分、漏電等參數(shù)測(cè)試，參數(shù)覆蓋率較高，下面介紹幾個(gè)重點(diǎn)參數(shù)，見表1。

表1　主要測(cè)試參數(shù)

4　熔絲修調(diào)部分

4.1熔絲修調(diào)簡(jiǎn)介

熔絲就是連接在兩個(gè)鍵合點(diǎn)之間用金屬或者多晶硅以最小寬度短接在一起的部分，在鍵合點(diǎn)之間通過一個(gè)大電流，就會(huì)引起熔絲材料熔斷或者氣化，熔絲就會(huì)變成斷路，這個(gè)過程即為修調(diào)。修調(diào)過程就是把熔絲從短路狀態(tài)熔斷成斷路狀態(tài)的過程，通過在熔絲兩端的修調(diào)點(diǎn)上施加一定的電壓，電流流過熔絲產(chǎn)生高溫，把熔絲熔斷或者氣化。根據(jù)熔絲的物理特性，選取合適的電壓和電流是成功修調(diào)的關(guān)鍵。

4.2熔絲修調(diào)的硬件設(shè)計(jì)

圖1中的ra1～ra5、rb1～rb3均為熔絲修調(diào)專用管腳，在這些管腳兩兩之間有鋁熔絲。將這些管腳之間的熔絲分別按照?qǐng)D6的方式與修調(diào)電路進(jìn)行連接。

為了提供一個(gè)瞬間的大電流，采用電容充放電的方式為修調(diào)提供能量，其典型電路如圖6所示。

修調(diào)時(shí)，繼電器在初始狀態(tài)，先給修調(diào)電源端加電壓，通過繼電器常閉端給電容C1充電，等待一定時(shí)間后，向繼電器K1端發(fā)送低電平控制信號(hào)，C1的正負(fù)兩端與修調(diào)電源和GND斷開，接到熔絲的兩端，C1放電熔斷熔絲。電容修調(diào)有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，修調(diào)時(shí)電路的其他管腳特別是GND和C1是隔離的，電容只對(duì)熔絲兩端放電，修調(diào)對(duì)電路本身的影響較小。該產(chǎn)品的熔絲為串行結(jié)構(gòu)，非常適合用電容方式修調(diào)。

被測(cè)鋰電池充電電路有一個(gè)特殊之處，由于內(nèi)置開關(guān)電源和熔絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問題，很容易從熔絲端的引線引入外部干擾信號(hào)。在測(cè)試方案開發(fā)之初，在進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)測(cè)試值很不穩(wěn)定，多次測(cè)試之間的誤差很大。經(jīng)過排查分析，確認(rèn)干擾從熔絲上引入，為了解決干擾問題，采取了以下措施：（1）縮短熔絲到修調(diào)繼電器的距離，將修調(diào)繼電器放到針卡板上；（2）熔絲到修調(diào)繼電器的布線采用覆銅處理。通過這些措施有效解決了熔絲端引入的干擾問題，基準(zhǔn)電壓測(cè)試較為穩(wěn)定。

4.3修調(diào)部分的軟件編寫

一般情況下，大部分電路的每段熔絲能修調(diào)的值是固定的，如果不同批次間有差異，各段熔絲之間的比例也通常能保持一致。該電路每根熔絲所能修調(diào)的電壓值呈比例關(guān)系，設(shè)最小一段熔絲能修調(diào)的值為L(zhǎng)SB，要修調(diào)的目標(biāo)值為Vtarget，修調(diào)前的測(cè)試值為Vout。具體的修調(diào)判斷可以通過下面的算法進(jìn)行：

int B0［4］,B1［4］,B2［4］；//設(shè)置各個(gè)管芯的3段熔絲是否需要修調(diào)的標(biāo)志位

double LSB=0.015；//最小一段熔絲的分辨率

double Vtarget=4.200；//修調(diào)的目標(biāo)值

for（i=0；i＜Tsite；i++）｛//對(duì)各個(gè)并行測(cè)試管芯進(jìn)行分別判斷，Tsite為并測(cè)管芯數(shù)目

if（Vtarget-Vout［i］＜=（LSB/2））｛B0［i］=0；B1［i］=0；B2［i］=0；｝//判斷需修調(diào)fuse4段

else if（Vtarget-Vout［i］+LSB＜=（LSB/2））｛B0［i］=0；B7［i］=0；B6［i］=1；｝

……//中間部分省略

｝

這種算法在修正批次間差異的時(shí)候非常方便，只需要更改變量Vtarget或LSB的值即可，程序更加簡(jiǎn)潔，不易出錯(cuò)，可維護(hù)性更好。

4.4修調(diào)時(shí)其他注意事項(xiàng)

首先要保證針卡平整度，尤其是修調(diào)時(shí)會(huì)經(jīng)過大電流，要求所有熔絲端口的探針接觸電阻小于10 Ω，否則會(huì)帶來熔絲燒不斷、燒不干凈等問題。另外，在進(jìn)行針卡板布線時(shí)，要對(duì)修調(diào)線路進(jìn)行加寬處理。在生產(chǎn)測(cè)試中，要注意檢查測(cè)試系統(tǒng)的外殼接地情況，如果接地狀態(tài)不好，有可能會(huì)由地線上引入電壓造成誤修調(diào)。

5　測(cè)試結(jié)果與效率

該測(cè)試方案經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)測(cè)，具有幾個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。首先，測(cè)試效率高，平均每片測(cè)試時(shí)間比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手降低60%，在降低測(cè)試成本的同時(shí)，提高了單片利潤(rùn)。第二，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度高，尤其是基準(zhǔn)電壓部分，測(cè)試結(jié)果完美以目標(biāo)值為中心進(jìn)行正態(tài)分布，極大地提高了被測(cè)電路的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。第三，測(cè)試情況穩(wěn)定，通過前文所述的一些抗干擾措施，在生產(chǎn)測(cè)試過程中，極少需要人工干預(yù)，降低了人工成本，也間接提高了大規(guī)模生產(chǎn)測(cè)試的效率。

6　結(jié)束語

在該鋰電池充電測(cè)試方案設(shè)計(jì)中，在硬件、軟件方面都進(jìn)行了合理規(guī)劃，通過多管芯并行測(cè)試提高了測(cè)試效率。通過硬件的抗干擾措施提高了測(cè)試穩(wěn)定性。通過軟件算法的改進(jìn)優(yōu)化，提高了修調(diào)準(zhǔn)確性，最終達(dá)到了高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確測(cè)試的目的。

［1］Serigio Franco.Design with Operational Amplifies and AnalogIntegratedCircuits［M］.TheMcGraw-Hill Companies,Inc.2002.［2］Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

［3］http：//www.tpwic.com［EB/OL］.

［4］Ocean Deng,Daniel Chien.TR6800 Tutorial［M］.IC Tester FAE,Test Reserch Inc.

A Test Method of Lithium Battery Charging IC

ZHANG Penghui
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China）

The paper introduces a special lithium battery charging IC and corresponding testing method including hardware design,programing and stability measures.The charging IC integrates a boost module to directly discharge into the load,which brings about challenges to the testing.The paper describes how to meet the challenges in detail and conduct fuse-trimming on output reference voltage.

lithium battery charging IC；test；fuse-trimming

TN407

A

1681-1070（2016）09-0010-04

張鵬輝（1983—），男，河南永城人，工程師，2005年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所從事集成電路測(cè)試技術(shù)研究工作，主要研究方向?yàn)榧呻娐窚y(cè)試的規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化。

2016-5-5