設(shè)計(jì)一個(gè) 100A 有源負(fù)載用來(lái)測(cè)試電源可靠性

當(dāng)我們使用有源負(fù)載測(cè)試電路來(lái)確保微處理器或其他數(shù)字負(fù)載的電源提供 100A 瞬態(tài)電流。這種有源負(fù)載可以為電源提供直流負(fù)載，并且可以在直流電平之間快速切換。這些瞬態(tài)負(fù)載模擬微處理器中的快速邏輯切換。

理想情況下，您的穩(wěn)壓器輸出在負(fù)載瞬態(tài)期間是不變的。然而，在實(shí)踐中，您會(huì)遇到一些變化，如果超出允許的工作電壓容差，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。您可以將您的有源負(fù)載電路基于以前在較低電流下工作的寬帶負(fù)載設(shè)計(jì)。這種方法允許您設(shè)計(jì)具有線性響應(yīng)的閉環(huán)、500kHz 帶寬、100A 有源負(fù)載。

傳統(tǒng)的有源負(fù)載電路存在缺點(diǎn)(圖 1)。被測(cè)穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)直流和開(kāi)關(guān)電阻負(fù)載。監(jiān)控開(kāi)關(guān)電流和輸出電壓，以便在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下比較穩(wěn)定的輸出電壓與負(fù)載電流。開(kāi)關(guān)電流要么打開(kāi)，要么關(guān)閉。當(dāng)它發(fā)生變化時(shí)，您無(wú)法在線性區(qū)域中控制它。

您可以通過(guò)包含電子負(fù)載開(kāi)關(guān)控制來(lái)進(jìn)一步發(fā)展這一概念(圖 2)。輸入脈沖通過(guò)驅(qū)動(dòng)級(jí)切換 FET，從穩(wěn)壓器及其輸出電容器產(chǎn)生瞬態(tài)負(fù)載電流。這些電容器的尺寸、組成和位置對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)有深遠(yuǎn)的影響。盡管電子控制有助于高速開(kāi)關(guān)，但該架構(gòu)無(wú)法模擬介于最小電流和最大電流之間的負(fù)載。此外，您沒(méi)有控制 FET 的開(kāi)關(guān)速度，因?yàn)檫@樣做會(huì)在測(cè)量中引入寬帶諧波，這可能會(huì)破壞示波器顯示。

瞬態(tài)發(fā)生器

將 Q 1放置在反饋回路中可以對(duì)負(fù)載測(cè)試儀進(jìn)行真正的線性控制(圖 3)。您現(xiàn)在可以線性控制 Q 1的柵極電壓，允許您在任何點(diǎn)設(shè)置瞬時(shí)瞬態(tài)電流并模擬幾乎任何負(fù)載曲線。從 Q 1的源到控制放大器 A 1的反饋關(guān)閉了 Q 1周?chē)目刂苹芈罚瑥亩€(wěn)定了其工作點(diǎn)。瞬時(shí)輸入控制電壓和電流檢測(cè)電阻器的值將 Q 1的電流設(shè)置為寬帶寬。您使用直流負(fù)載設(shè)置電位器將 A 1偏置到 Q 1的導(dǎo)通閾值。A 1的小變化的輸出導(dǎo)致 Q 1的大電流變化，這意味著 A 1不需要提供大的輸出偏移。基本速度限制是放大器的小信號(hào)帶寬。只要輸入信號(hào)保持在該帶寬內(nèi)，Q 1的電流波形就與 A 1的輸入控制電壓波形相同，從而可以對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行線性控制。這種通用功能允許您模擬各種負(fù)載。

您可以通過(guò)添加一些組件來(lái)改進(jìn)此電路(圖 4)。柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)將控制放大器與 Q 1的柵極電容隔離，以保持放大器的相位裕度并提供低延遲和線性電流增益。增益為 10 的差分放大器在 1mΩ 分流電阻器上提供高分辨率感測(cè)。您可以設(shè)計(jì)一個(gè)功耗限制器，作用于平均輸入值和 Q 1的溫度。它會(huì)關(guān)閉 FET 的柵極驅(qū)動(dòng)，以防止過(guò)熱和隨后的損壞?？梢詫㈦娙萜魈砑拥街鞣糯笃饕哉{(diào)整帶寬并優(yōu)化環(huán)路響應(yīng)。

您可以根據(jù)這些概念開(kāi)發(fā)詳細(xì)的原理圖(圖 5)。主放大器 A 1響應(yīng)直流和脈沖輸入。您還可以從 A 3向它發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào)，該信號(hào)代表負(fù)載電流。A 1通過(guò) Q 4 /Q 5柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)設(shè)置 Q 1的電導(dǎo)率，該級(jí)使用 A 2主動(dòng)偏置。柵極驅(qū)動(dòng)器輸入二極管上的電壓降將高到足以完全開(kāi)啟 Q 4和 Q 5。為防止這種過(guò)驅(qū)動(dòng)，請(qǐng)使用 Q 3降低下二極管兩端的電壓。放大器 A 2通過(guò)將 Q 5的平均集電極電流與參考值進(jìn)行比較并控制 Q 3的導(dǎo)通來(lái)確定柵極驅(qū)動(dòng)級(jí)偏置，從而關(guān)閉環(huán)路。該回路將 Q 4和 Q 5基極的電壓降保持在遠(yuǎn)低于 1.2V 的值，并且伺服該值直到 Q 4和 Q 5具有 10 mA 的平均集電極偏置電流。

如果負(fù)載開(kāi)啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，負(fù)載的占空比會(huì)過(guò)熱。您可以使用大功率脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)人員使用的技術(shù)設(shè)計(jì)保護(hù)電路。饋送比較器 IC 1的平均輸入電壓值。它將該電壓與使用耗散限制調(diào)節(jié)電位器設(shè)置的參考電壓進(jìn)行比較。如果輸入占空比超過(guò)此限制，比較器 IC 1通過(guò) Q 2關(guān)閉 FET 柵極驅(qū)動(dòng)。熱敏開(kāi)關(guān) S 1提供進(jìn)一步的保護(hù)。如果 Q 1的散熱器過(guò)熱，S 1會(huì)打開(kāi)并斷開(kāi)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)轉(zhuǎn)移 Q 4的偏置電壓、晶體管 Q 6和齊納二極管防止 Q 1在 -15V 電源不存在時(shí)導(dǎo)通。如果您失去 15V 電源，A 1正輸入上的 1-kΩ 電阻可防止放大器損壞。

微調(diào)優(yōu)化了動(dòng)態(tài)響應(yīng)，確定了環(huán)路的直流基線空閑電流，設(shè)置了耗散限制，并控制了柵極驅(qū)動(dòng)器的級(jí)偏置。直流微調(diào)是不言自明的。A 1處的環(huán)路補(bǔ)償和 FET 響應(yīng)交流微調(diào)更為微妙。調(diào)整它們以獲得環(huán)路穩(wěn)定性、邊沿速率和脈沖純度之間的最佳折衷。您可以使用 A 1的環(huán)路補(bǔ)償微調(diào)電容器來(lái)設(shè)置最大帶寬的滾降，并適應(yīng) Q 1的柵極電容和 A 3引入的相移。FET 響應(yīng)調(diào)整部分補(bǔ)償了 Q 1固有的非線性增益特性，提高了前后脈沖的角保真度。

電路測(cè)試

您最初使用配備有大量、低損耗、寬帶旁路的夾具來(lái)測(cè)試電路(圖 6)。在大電流路徑中進(jìn)行極低電感布局非常重要。必須盡一切努力將 100A 路徑中的電感降至最低。如果將高電流路徑中的電感降至最低(圖 7)，則在正確調(diào)整電路后應(yīng)該會(huì)獲得良好的結(jié)果。100A 幅度的高速波形是純正的，幾乎看不到頂部和底部后角的不忠。

主要研究交流微調(diào)對(duì)波形的影響，您必須故意進(jìn)行錯(cuò)誤調(diào)整。過(guò)阻尼響應(yīng)是過(guò)量 A 1反饋電容的典型特征(圖 8)。電流脈沖控制良好，但邊沿速率較慢。A 1的反饋電容不足會(huì)縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間，但會(huì)增加不穩(wěn)定性(圖 9)。進(jìn)一步減小微調(diào)電容會(huì)導(dǎo)致環(huán)路振蕩，因?yàn)榄h(huán)路的相移會(huì)導(dǎo)致反饋中出現(xiàn)明顯的相位滯后。無(wú)法獲得不受控制的 100A 環(huán)路振蕩的范圍照片。事件太激動(dòng)了，無(wú)法記錄。過(guò)度 FET 的響應(yīng)補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致波形拐角處出現(xiàn)峰值(圖 10)。將交流調(diào)整恢復(fù)到標(biāo)稱值會(huì)在前沿產(chǎn)生 650 納秒的上升時(shí)間，相當(dāng)于 540 kHz 的帶寬(圖 11)。在相同條件下檢查后沿會(huì)發(fā)現(xiàn)下降時(shí)間稍微快了 500 納秒(圖 12)。

布局效果

如果大電流路徑中存在寄生電感，您的設(shè)計(jì)將無(wú)法遠(yuǎn)程接近之前的響應(yīng)。您可以故意在 Q 1的漏極路徑中放置一個(gè) 20nH 的微小寄生電感(圖 13)，這將導(dǎo)致由電感和環(huán)路的后續(xù)響應(yīng)引起的巨大波形退化(圖 14a)。在恢復(fù)發(fā)生在脈沖頂部的中間之前，一個(gè)巨大的錯(cuò)誤占據(jù)了前沿。在下降沿的關(guān)斷中，額外的畸變很明顯。該圖的水平比例比優(yōu)化響應(yīng)慢五倍(圖 14b)。教訓(xùn)很清楚：高速 100A 偏移不能容忍電感。

調(diào)節(jié)器測(cè)試

解決補(bǔ)償和布局問(wèn)題后，您可以測(cè)試電源穩(wěn)壓器(圖 15)。六相 120A凌力爾特公司LTC1675A 降壓穩(wěn)壓器用作演示板。測(cè)試電路產(chǎn)生 100A 負(fù)載脈沖(圖 16的跡線 A )。穩(wěn)壓器在兩個(gè)邊緣都保持良好的控制響應(yīng)(圖 16的跡線 B )。有源負(fù)載的真正線性響應(yīng)和高帶寬允許寬范圍的負(fù)載波形特性。盡管圖 16中的階躍負(fù)載脈沖是通常需要的測(cè)試，但您可以生成任何負(fù)載曲線。一個(gè) 100A、100kHz 正弦波的脈沖串就是一個(gè)例子(圖 17)。盡管速度和電流很高，但響應(yīng)清晰，沒(méi)有不良動(dòng)態(tài)。即使是 80 微秒的 100A pp 噪聲突發(fā)，您也可以形成負(fù)載(圖 18)。負(fù)載電路具有高精度、合規(guī)性和調(diào)節(jié)規(guī)范(圖 19和表 1)。