PMU组成原理及作用分析

PMU主要由电压（或电流）施加环、电流（或电压）限定（钳位）环以及电压/电流测试单元三大部分组成。图11-50为典型PMU的组成原理图。PMU输出的电压和电流通过电压（或电流）的反馈环路控制，实现恒压或恒流的自动调节。PMU的两个环路中包括激励DAC、限定DAC、电压量程控制和电流量程检测等电路。这些功能电路的参数通常在每次测量之前设定，然后再启动PMU进行测量。

下面以施加电压测量电流（限定电流）FVMI模式为例，讲述PMU的工作原理，在图11-50所示的框图中，开关S₁接“电压”，开关S₂、S₃接“电流”。

（1）电压施加环路

电压施加环路由施加电压DAC、电压控制放大器A₁、功率缓冲器A₂、电压检测放大器A₃、电压量程控制器K_V等组成，它是一个电压反馈调节环，在功能上类似于一个可程控的稳压电源。

施加电压DAC的输出U_R和电压量程控制器K_V的反馈U_M的共同作用，确定PMU的输出电压值U_o。电压量程控制器确定PMU工作的满度范围，而施加电压DAC则确定该量程内的激励电压值。电压量程控制器K_V由电阻分压器构成，不同的分压比实现了不同量程的划分，它改变加到电压合成节点∑1上的电压U_M的加权因数。

电压控制放大器A1是一个加法放大器，它对DAC激励电压U_R和来自电压量程控制器的反馈电压U_M相加，按照∑1=U_R+U_M=0的原理，即U_M=U_R的原则去控制着输出控制节点∑0上的电压。功率缓冲器的输出与电流检测量程控制器K_I相连，PMU的输出电流I_M经过电流量程检测的采样电阻器和负载电阻，与I_M成正比的电压经电流检测放大器A₄输出，一方面用于控制钳位电流，另一方面可由ADC测量输出电流I_M。

图11-50 PMU的组成原理图

由于输出电流流向负载要经过电流检测量程控制器K_I、继电器和电缆而产生电压降，故为了实现精确的电压激励，必须检测负载上的实际电压。将电压检测放大器A₃经电压检测输入端与负载相连，直接检测负载两端的电压。电压检测放大器的输出由电压量程控制器K_V定标之后，向电压施加的控制放大器提供反馈电压U_M，同时也与测量用ADC相连，使之能测量实际输出电压。

（2）电流限定（钳位）环路

限流环路是由限值DAC、负限流放大器（A₅）、正限流放大器（A₆）、电流检测量程控制器（K_I）和电流检测放大器（A₄）组成的。(www.xing528.com)

电压施加功能设定之后，根据测量的电流要求，进行限定电流设置。限流环路连续监测PMU的输出电流，当输出电流达到设定的限流值时，其输出电流被恒定在限制值上。限定电流值的设置由限值DAC来完成。电流检测放大器A₄检测量程电阻器两端的电压，并输出与流过电阻器的电流I_M成正比的电压U₄，如果达到编程的极限电流I_limit，电流控制环便接管了对PMU输出电压的控制，以便限制其输出电流值。表征I_M的电压U₄还送至测量转换器ADC，可测出实际PMU的输出电流。

K_I也划分了几个电流量程，可以施加或测量从几纳安（nA）到1安（或更大）的电流。

如果负载电流急剧增大，I_limit限流放大器（A₅或A₆）将实施限制PMU输出电流的作用。在测量期间，上限+I_limit放大器A₆不断地将I_M信号电压U₄与限值DAC的电压U_L相比较，若|U₄|<|U_L|，则限流放大器U₆输出正电压，U₅输出负电压，使VD₁和VD₂截止，限流环断开而不起作用。然而，若输出电流达到或超过限定值，|U₄|>|U_L|，则正限+I_limit放大器A₆输出U₆为负电压，使VD₂导通，电流限制环开始起作用，降低电流控制节点∑0上的电压，并抑制电压控制放大器的作用，从而降低PMU输出电压U_o，以便输出电流精确稳定在编程的极限电流值上。负下限-I_limit放大器A₅和正限+I_limit放大器A₆的作用完全相同，但它在PMU吸收电流的情况下工作，若负载阻抗随后改变，从而使在额定激励电压下也不超过极限值电流，则两个I_limit放大器的作用将退化使VD₁和VD₂截止，电压控制放大器重新进行输出电压控制的工作。

PMU从电压施加模式转换到限流模式称为环路接管。该过程通常能在几个微秒内完成，这样的快速反应可以避免由于被测器件与电源接通或断开瞬间，导致负载阻抗突然降低而产生大的瞬时电流。

（3）测试与比较单元（电压或电流的测试与比较）

测量转换器ADC是PMU的一个关键组成部分。图11-50中的开关S₃允许输出电压U_out或输出电流I_out连接到ADC上，将模拟量转化为数字量。PMU中典型的ADC具有从12位到18位的分辨率和精度。

最后，在测量期间，由数据采集ADC测出PMU输出到负载上的实际电流或电压。测试控制计算机读回这个数据，并与合格值作比较，以确定被测DUT是合格还是失效。

以上是FVMI模式的工作原理，其余3种模式的工作原理类似，这里不再赘述。概括4种模式的工作原理见表11-4。

表11-4 PMU的4种模式的工作原理