張鵬輝

（中國電子科技集團(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試方法

張鵬輝

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

鋰電池充電電路；測試；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)和銷售過程中對成本較為敏感，對質(zhì)量控制要求高。在測試環(huán)節(jié)，需要保證測試準(zhǔn)確性的同時提高測試效率。

2　鋰電池充電電路介紹

2.1電路基本功能介紹

被測的鋰電池充電電路由輸入、輸出、控制3個部分組成，在晶圓上還有一些小接觸點，這些接觸點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升壓模塊，當(dāng)處于鋰電池放電模式時，電路可以控制OUT腳產(chǎn)生一個5 V電壓，對外部負(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100 μH的電感L1，LX腳和OUT腳之間接一個肖特基二極管D1，在OUT腳和GND腳之間接一個負(fù)載電容Cout。當(dāng)鋰電池處于放電模式且需要升壓輸出時，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LX腳相當(dāng)于短接GND，SW斷開時LX腳相當(dāng)于懸空。當(dāng)LX腳內(nèi)部開關(guān)SW閉合時，VBAT腳通過電感L和LX腳對GND形成回路。當(dāng)SW斷開時，由于線圈中的電流不能瞬時改變，就會在電感L的后端也即LX腳形成一個感應(yīng)電壓，這個電壓通過二極管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，完成一個工作周期，此時二極管D起到反向截止的作用。圖2是被測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　測試方案介紹

3.1測試系統(tǒng)介紹

本方案采用某國產(chǎn)集成電路測試系統(tǒng)TRxx進(jìn)行測試，該系統(tǒng)產(chǎn)地臺灣省，是一種先進(jìn)的集成電路測試系統(tǒng)。系統(tǒng)配置有16路直流電壓電流單元（OVC），最大輸出/測量電壓12 V，最大輸出/測量電流300 mA； 4路大功率直流電壓電流單元（PVC），最大輸出/測量電流為1 A，最大輸出/測量電壓為32 V；一塊32路數(shù)字信號輸出/測量資源板（AC32），最大測試頻率20 MHz；一塊時間測量單元板（TMU），內(nèi)置4路時間測量單元，可以測試各種時間參數(shù)，同時該板還帶有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測試方案硬件設(shè)計

為了提高測試效率，本方案進(jìn)行雙管芯并行測試，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針的排線和測試系統(tǒng)接口板進(jìn)行連接。圖3是測試方案硬件框圖。

圖3　測試針卡硬件框圖

如圖3所示，測試機(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)的測試硬件連接圖，其中兩個電阻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接入被測電路后，升壓模塊啟動，LX腳輸出開關(guān)信號，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腳的兩個濾波電容C2和C3通過繼電器K2接入。在測試主要參數(shù)VBAT腳輸出電壓時，VIN腳加5V電壓并接入C2和C3電容，K5或者K6閉合，分別測試兩種負(fù)載模式下的VBAT腳電壓。當(dāng)測試升壓模塊參數(shù)時，K7、K8和K4閉合，給BAT腳加3.6 V電壓，測試VOUT端口輸出電壓。

圖4　主要參數(shù)測試硬件圖

硬件部分的設(shè)計有幾個特別要注意的地方。首先，該鋰電池充電電路帶有一個開關(guān)電源模塊，該模塊的測試需要電感、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，可以縮減探針的長度，將探針連結(jié)點距離減小。同時，將外圍器件和切換繼電器放置在探針連結(jié)點的周圍。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干擾，尤其雙管芯并行測試時，被測的兩個管芯也容易互相干擾。這就要求在硬件設(shè)計時做好抗干擾措施，首先將兩個被測管芯的硬件在針卡上進(jìn)行隔離，將兩個管芯的地線分別引出到測試系統(tǒng)參考地上。對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，將振蕩信號隔離。第三，在針卡板上對地線和輸入輸出電源線路進(jìn)行加寬處理，針卡板和測試機(jī)的連接排線采用間距2.54 mm的50針腳排線，在排線上使用多個針腳作為地線。

3.3測試方案軟件部分

3.3.1測試軟件框架

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

圖5　測試程序流程圖

3.3.2測試參數(shù)介紹

整個測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)測試，參數(shù)覆蓋率較高，下面介紹幾個重點參數(shù)，見表1。

表1　主要測試參數(shù)

4　熔絲修調(diào)部分

4.1熔絲修調(diào)簡介

熔絲就是連接在兩個鍵合點之間用金屬或者多晶硅以最小寬度短接在一起的部分，在鍵合點之間通過一個大電流，就會引起熔絲材料熔斷或者氣化，熔絲就會變成斷路，這個過程即為修調(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

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圖6的方式與修調(diào)電路進(jìn)行連接。

為了提供一個瞬間的大電流，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，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，等待一定時間后，向繼電器K1端發(fā)送低電平控制信號，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)有一個重要優(yōu)勢，修調(diào)時電路的其他管腳特別是GND和C1是隔離的，電容只對熔絲兩端放電，修調(diào)對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)。

被測鋰電池充電電路有一個特殊之處，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。在測試方案開發(fā)之初，在進(jìn)行基準(zhǔn)測試時測試值很不穩(wěn)定，多次測試之間的誤差很大。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LSB，要修調(diào)的目標(biāo)值為Vtarget，修調(diào)前的測試值為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++）｛//對各個并行測試管芯進(jìn)行分別判斷，Tsite為并測管芯數(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候非常方便，只需要更改變量Vtarget或LSB的值即可，程序更加簡潔，不易出錯，可維護(hù)性更好。

4.4修調(diào)時其他注意事項

首先要保證針卡平整度，尤其是修調(diào)時會經(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，要對修調(diào)線路進(jìn)行加寬處理。在生產(chǎn)測試中，要注意檢查測試系統(tǒng)的外殼接地情況，如果接地狀態(tài)不好，有可能會由地線上引入電壓造成誤修調(diào)。

5　測試結(jié)果與效率

該測試方案經(jīng)過生產(chǎn)實測，具有幾個重要優(yōu)勢。首先，測試效率高，平均每片測試時間比競爭對手降低60%，在降低測試成本的同時，提高了單片利潤。第二，測試結(jié)果準(zhǔn)確度高，尤其是基準(zhǔn)電壓部分，測試結(jié)果完美以目標(biāo)值為中心進(jìn)行正態(tài)分布，極大地提高了被測電路的市場競爭力。第三，測試情況穩(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)測試的效率。

6　結(jié)束語

在該鋰電池充電測試方案設(shè)計中，在硬件、軟件方面都進(jìn)行了合理規(guī)劃，通過多管芯并行測試提高了測試效率。通過硬件的抗干擾措施提高了測試穩(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.

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［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)電氣工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)在中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所從事集成電路測試技術(shù)研究工作，主要研究方向為集成電路測試的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化。

2016-5-5