Development of line transient testing board in PMIC application
Koivistoinen, Juho-Ville (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231003138473
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231003138473
Tiivistelmä
The objective of this thesis is to develop a prototype device used in line transient testing in PMIC (Power Management Integrated Circuit) application. Existing buck converter prototype was improved. The old prototype had a problem with thermal management. In addition three operational amplifier circuits were simulated and two of these were tested in laboratory. The initial plan was to design and order one PCB (Printed Circuit Board) for the improved buck converter, one PCB for an op amp circuit and one redesigned PCB for either of the two previous PCBs. The op amp circuit would be selected based on simulation and operation in lab. Due to reasons not involving the author only the improved buck converter PCB was ordered. The thesis is done for the company Texas Instruments.
In line transient test pulse signal is fed to PMIC supply voltage and the PMIC output voltage behaviour is monitored. The test reveals possible stability issues and shows the performance of the PMIC. The pulse signal is generated by a function generator but there’s an apparent problem that function generators cannot source large currents. Therefore a buffer device is needed that sources larger currents and creates a similar waveform to the function generator output. The PMICs developed at the company TI are used with automotive processors. Modern automotive processors can draw current greater than 20 A from their power supply. This is because the processors are complex and they have many different power rails.
The improved buck converter prototype was tested. The prototype works well and achieves the required specifications. The prototype was tested with two intended DUTs (Device Under Test). There was an undershoot problem when testing with a DUT with DUT input current 3 A or greater. However this is mainly because inductance formed between the designed prototype and the DUT board. The designed prototype doesn’t have significant undershoot at it’s own output. This problem will be fixed by another engineer in the company in the future. Tämän diplomityön tavoitteena on suunnitella prototyyppi, jota voidaan käyttää tulojännitetransientin testaukseen PMIC-sovelluksessa. Edellistä ”step down”-muuntajan prototyyppiä paranneltiin. Vanhassa prototyypissä lämmönhallinta muodostui ongelmaksi. Lisäksi kolmea operaatiovahvistinpiiriä simuloitiin, ja kahta niistä testattiin laboratoriossa. Alkuperäisen suunnitelman mukaan piirilevyjä tilattaisiin kolme kappaletta. Yksi parannellusta ”step down”-muuntajasta, toinen operaatiovahvistinpiiristä ja kolmas paranneltu versio joko ”step down”-muuntajasta tai operaatiovahvistinpiiristä. Operaatiovahvistinpiiri valittaisiin simuloinnin sekä laboratoriotestin perusteella. Työn tekijästä riippumattomien syiden seurauksena vain ”step down”-muuntajan piirilevy tilattiin. Tämä diplomityö tehtiin yritykselle Texas Instruments.
Tulojännitetransientin testauksessa pulssimainen signaali syötetään PMIC-piirin tulojännitteeseen, ja PMIC-piirin lähtöjännitettä tarkastellaan. Testi paljastaa mahdollisen PMIC-piirin epästabiilisuuden ja kertoo PMIC-piirin suorituskyvystä. Pulssi tehdään signaaligeneraattorilla. Signaaligeneraattoreissa on kuitenkin yleinen ongelma; signaaligeneraattori ei anna suurta lähtövirtaa. Siksi tarvitaan puskurilaite, joka antaa virtaa riittävästi säilyttäen signaaligeneraattorin aaltomuodon. Yrityksessä käytettyjä PMIC piirejä käytetään autoteollisuuden prosessoreissa. Modernit autoteollisuuteen tarkoitetut prosessorit voivat tarvita 20 A tai suurempia tulovirtoja. Tämän selittää se, että prosessorit ovat monimutkaisia ja niissä on monta tehoväylää.
Paranneltua ”step down”-muuntajan prototyyppiä testattiin. Prototyyppi toimii hyvin, ja se saavuttaa vaaditut speksit. Prototyyppiä testattiin kahden oikean DUT:in kanssa. Testatessa DUT:ia 3 A tai suuremmalla tulovirralla DUT:in tulojännitteessä huomattiin alitusta. Tämä on pääasiassa prototyypin ja DUT-kortin välisistä johdoista muodostuvan induktanssin seurausta. Prototyypissä ei itsessään ole alitusta lähtöjännitteessä. Tämä ongelma jäi toisen insinööri korjattavaksi.
In line transient test pulse signal is fed to PMIC supply voltage and the PMIC output voltage behaviour is monitored. The test reveals possible stability issues and shows the performance of the PMIC. The pulse signal is generated by a function generator but there’s an apparent problem that function generators cannot source large currents. Therefore a buffer device is needed that sources larger currents and creates a similar waveform to the function generator output. The PMICs developed at the company TI are used with automotive processors. Modern automotive processors can draw current greater than 20 A from their power supply. This is because the processors are complex and they have many different power rails.
The improved buck converter prototype was tested. The prototype works well and achieves the required specifications. The prototype was tested with two intended DUTs (Device Under Test). There was an undershoot problem when testing with a DUT with DUT input current 3 A or greater. However this is mainly because inductance formed between the designed prototype and the DUT board. The designed prototype doesn’t have significant undershoot at it’s own output. This problem will be fixed by another engineer in the company in the future.
Tulojännitetransientin testauksessa pulssimainen signaali syötetään PMIC-piirin tulojännitteeseen, ja PMIC-piirin lähtöjännitettä tarkastellaan. Testi paljastaa mahdollisen PMIC-piirin epästabiilisuuden ja kertoo PMIC-piirin suorituskyvystä. Pulssi tehdään signaaligeneraattorilla. Signaaligeneraattoreissa on kuitenkin yleinen ongelma; signaaligeneraattori ei anna suurta lähtövirtaa. Siksi tarvitaan puskurilaite, joka antaa virtaa riittävästi säilyttäen signaaligeneraattorin aaltomuodon. Yrityksessä käytettyjä PMIC piirejä käytetään autoteollisuuden prosessoreissa. Modernit autoteollisuuteen tarkoitetut prosessorit voivat tarvita 20 A tai suurempia tulovirtoja. Tämän selittää se, että prosessorit ovat monimutkaisia ja niissä on monta tehoväylää.
Paranneltua ”step down”-muuntajan prototyyppiä testattiin. Prototyyppi toimii hyvin, ja se saavuttaa vaaditut speksit. Prototyyppiä testattiin kahden oikean DUT:in kanssa. Testatessa DUT:ia 3 A tai suuremmalla tulovirralla DUT:in tulojännitteessä huomattiin alitusta. Tämä on pääasiassa prototyypin ja DUT-kortin välisistä johdoista muodostuvan induktanssin seurausta. Prototyypissä ei itsessään ole alitusta lähtöjännitteessä. Tämä ongelma jäi toisen insinööri korjattavaksi.