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  • 小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試解析
    • 發(fā)布時間:2024-08-31 21:09:33
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    小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試解析
    在 DCDC 電源測試中,負載瞬態(tài)測試(Load Transient Test)是十分重要的一環(huán),利用負載瞬態(tài)測試,可以快速評估所測電源的穩(wěn)定性與快速性,而在 DCDC 轉(zhuǎn)換器芯片的選型時,負載瞬態(tài)測試表現(xiàn)也是評估該芯片動態(tài)性能的重要參考。下圖是某 DCDC 轉(zhuǎn)換器負載瞬態(tài)測試的典型波形,CH3 為輸出電壓的 AC 分量,CH4 為負載電流。注意到負載電流上升斜率與下降斜率并不相同,較緩的上升斜率對應較小的電壓跌落(Undershoot),而陡峭的下降斜率則對應較大的電壓過沖(Overshoot)。
    小功率電子負載快速負載瞬態(tài)
    負載瞬態(tài)通常使用電子負載(E-Load)進行測試,前面提到,負載的跳變斜率(Slew Rate)將對測試結(jié)果產(chǎn)生關(guān)鍵影響,然而受設(shè)備內(nèi)部電路限制,常規(guī)電子負載所能實現(xiàn)的 di/dt 不會很高,另外受不同廠家設(shè)計等因素影響,不同型號的電子負載其能實現(xiàn)的跳變速率也不盡相同,如下圖 2(a)(b)所示,兩圖分別為型號 A 和 B,在同樣設(shè)置 2.5A/us 時的實際電流上升斜率對比,可以看到實際電流跳變斜率遠小于設(shè)置值,而不同型號的跳變斜率也不一樣。這可能導致電源瞬態(tài)測試結(jié)果偏理想,或?qū)Σ煌酒g性能評估不夠客觀。因此,設(shè)計一款簡易實用,負載跳變斜率可滿足實驗要求的電子負載具有重要工程意義。
    小功率電子負載快速負載瞬態(tài)
    小功率電子負載快速負載瞬態(tài)
    要實現(xiàn)較高的負載跳變速率,常規(guī)的設(shè)計思路是使用 MOSFET 對負載電阻進行開斷,該方法實現(xiàn)雖然簡單,但實際應用時存在一個明顯缺點:由于 MOSFET 的開關(guān)過程一般在百 ns 級,因此限制負載電流跳變速率的主要是所選負載電阻的 ESL(等效串聯(lián)電感),一般的滑動變阻器都是屬于繞線型電阻,其 ESL 往往較大,因此較難實現(xiàn)高跳變速率。而若選用獨立的無感功率電阻,假設(shè)測試需要能覆蓋 1.8V/3.3V/5V/12V 在 0.1A/0.5A/1A/2A/3A 下的負載跳變,就需要準備多達 20 種不同阻值的電阻,若電壓 / 電流組合更復雜,則所需不同阻值的電阻將更多,且測試電壓或負載電流改變時必須更換相應電阻,十分麻煩。
    針對上述傳統(tǒng)方法的不足,本文設(shè)計了一種基于 MOSFET 的小功率實用電子負載。如下圖所示,該設(shè)計主要包括 MOSFET,驅(qū)動級,電源軌及脈沖發(fā)生器四部分。其基本工作原理為:MOSFET 并非處于常規(guī)的開關(guān)狀態(tài),而是使其工作在恒流區(qū),脈沖發(fā)生器通過 DRV8836 驅(qū)動 MOSFET,產(chǎn)生一定幅值和脈寬的 GS 電壓,進而實現(xiàn)漏極電流(負載電流)的跳變。其中負載電流的幅值可通過調(diào)節(jié) LDO 輸出電壓進行控制,負載電流的上升 / 下降斜率則可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電阻阻值進行控制。
    小功率電子負載快速負載瞬態(tài)
    設(shè)計中有幾點值得注意:
    由于 MOSFET 處于恒流區(qū),漏極電流受控于 GS 電壓,若采用傳統(tǒng)二極管加驅(qū)動電阻的方式進行斜率調(diào)節(jié),當 GS 電壓與驅(qū)動電壓小于二極管正向壓降時,二極管將相當于高阻,會使得驅(qū)動回路時間常數(shù)變大,動態(tài)變差,因此這里使用 DRV8836 的兩個半橋?qū)崿F(xiàn)充放電的獨立控制;
    實際負載動態(tài)測試需要實現(xiàn)某一電流 A 跳變到另一電流 B,可將其分解為 DC 電流(電流 A)以及 AC 電流(電流 B)。本設(shè)計只需考慮 AC 電流(跳變部分),DC 電流只需在 MOSFET 兩端并聯(lián)一可調(diào)功率電阻即可;
    為減小 MOSFET 發(fā)熱,可設(shè)置較低的脈沖頻率(如 10Hz),而相應搭配較低的占空比;
    為方便離線運行,脈沖發(fā)生器部分這里采用了 LMC555 定時器搭建脈沖發(fā)生電路,以下電路實現(xiàn)了頻率不變而占空比可調(diào)的脈沖發(fā)生器。兩二極管的加入使得充放電回路分開,調(diào)節(jié) R2 即可調(diào)節(jié)充放電時間,從而實現(xiàn)占空比可調(diào)。充放電時間及脈沖頻率計算如下式:
    小功率電子負載快速負載瞬態(tài)
    小功率電子負載快速負載瞬態(tài)
    在實際條件允許時,也可直接使用信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號。
    為驗證設(shè)計的可行性,基于上述設(shè)計框圖搭建原型機如下圖:
    小功率電子負載快速負載瞬態(tài)
    原型機使用鋁殼功率電阻作為 DC 負載,通過多圈可調(diào)電位器調(diào)節(jié)驅(qū)動電阻,以達到不同的負載跳變斜率,對被測 DCDC 模塊進行 5V/1A~6A 的負載瞬態(tài)實驗,實驗結(jié)果如下圖所示,通道 3 為輸出電壓交流信號,通道 4 為負載電流:
    小功率電子負載快速負載瞬態(tài)
    從實驗結(jié)果可以看到,所搭建的原型機能實現(xiàn)在既定(平均)斜率下的負載跳變,且斜率及負載大小可以分別通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電阻和 LDO 輸出電壓進行連續(xù)調(diào)節(jié)。值得注意的是,被測 DCDC 模塊在 250mA/us 下的電壓跌落(Undershoot)為 268mV,而在 2.5A/us 下則達到 432mV,可見負載跳變速率(Slew Rate)對負載瞬態(tài)測試結(jié)果的影響是十分明顯的。
    本文從實際負載瞬態(tài)實驗的需求出發(fā),分析了現(xiàn)有電子負載的局限性,針對該不足并結(jié)合實際應用需求設(shè)計了一款簡易實用的小功率電子負載,給出了具體系統(tǒng)框圖及設(shè)計要點,并據(jù)此搭建了原型機進行實驗驗證。實驗結(jié)果證明,原型機可以實現(xiàn)既定斜率下的負載跳變,能較好地滿足小功率負載瞬變測試的需求。
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