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小功率电子负载实现快速负载瞬态测试


  来源: 互联网 时间:2021-01-19 编辑:清风
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在DCDC 电源测试中,负载瞬态测试(Load Transient Test)是十分重要的一环,利用负载瞬态测试,可以快速评估所测电源的稳定性与快速性,而在 DCDC 转换器芯片的选型时,负载瞬态测试表现也是评估该芯片动态性能的重要参考。下图是某 DCDC 转换器负载瞬态测试的典型波形,CH3 为输出电压的 AC 分量,CH4 为负载电流。注意到负载电流上升斜率与下降斜率并不相同,较缓的上升斜率对应较小的电压跌落(Undershoot),而陡峭的下降斜率则对应较大的电压过冲(Overshoot)。



负载瞬态通常使用电子负载(E-Load)进行测试,前面提到,负载的跳变斜率(Slew Rate)将对测试结果产生关键影响,然而受设备内部电路限制,常规电子负载所能实现的 di/dt 不会很高,另外受不同厂家设计等因素影响,不同型号的电子负载其能实现的跳变速率也不尽相同,如下图 2(a)(b)所示,两图分别为型号 A 和 B,在同样设置 2.5A/us 时的实际电流上升斜率对比,可以看到实际电流跳变斜率远小于设置值,而不同型号的跳变斜率也不一样。这可能导致电源瞬态测试结果偏理想,或对不同芯片之间性能评估不够客观。因此,设计一款简易实用,负载跳变斜率可满足实验要求的电子负载具有重要工程意义。



要实现较高的负载跳变速率,常规的设计思路是使用 MOSFET 对负载电阻进行开断,该方法实现虽然简单,但实际应用时存在一个明显缺点:由于 MOSFET 的开关过程一般在百 ns 级,因此限制负载电流跳变速率的主要是所选负载电阻的 ESL(等效串联电感),一般的滑动变阻器都是属于绕线型电阻,其 ESL 往往较大,因此较难实现高跳变速率。而若选用独立的无感功率电阻,假设测试需要能覆盖 1.8V/3.3V/5V/12V 在 0.1A/0.5A/1A/2A/3A 下的负载跳变,就需要准备多达 20 种不同阻值的电阻,若电压 / 电流组合更复杂,则所需不同阻值的电阻将更多,且测试电压或负载电流改变时必须更换相应电阻,十分麻烦。



针对上述传统方法的不足,本文设计了一种基于 MOSFET 的小功率实用电子负载。如下图所示,该设计主要包括 MOSFET,驱动级,电源轨及脉冲发生器四部分。其基本工作原理为:MOSFET 并非处于常规的开关状态,而是使其工作在恒流区,脉冲发生器通过 DRV8836 驱动 MOSFET,产生一定幅值和脉宽的 GS 电压,进而实现漏极电流(负载电流)的跳变。其中负载电流的幅值可通过调节 LDO 输出电压进行控制,负载电流的上升 / 下降斜率则可通过调节驱动电阻阻值进行控制。



设计中有几点值得注意:

由于 MOSFET 处于恒流区,漏极电流受控于 GS 电压,若采用传统二极管加驱动电阻的方式进行斜率调节,当 GS 电压与驱动电压小于二极管正向压降时,二极管将相当于高阻,会使得驱动回路时间常数变大,动态变差,因此这里使用 DRV8836 的两个半桥实现充放电的独立控制;


实际负载动态测试需要实现某一电流 A 跳变到另一电流 B,可将其分解为 DC 电流(电流 A)以及 AC 电流(电流 B)。本设计只需考虑 AC 电流(跳变部分),DC 电流只需在 MOSFET 两端并联一可调功率电阻即可;


为减小 MOSFET 发热,可设置较低的脉冲频率(如 10Hz),而相应搭配较低的占空比;


为方便离线运行,脉冲发生器部分这里采用了 LMC555 定时器搭建脉冲发生电路,以下电路实现了频率不变而占空比可调的脉冲发生器。两二极管的加入使得充放电回路分开,调节 R2 即可调节充放电时间,从而实现占空比可调。充放电时间及脉冲频率计算如下式:


在实际条件允许时,也可直接使用信号发生器产生脉冲信号。


为验证设计的可行性,基于上述设计框图搭建原型机如下图:


关键词:电子负载 负载瞬态测试 电源测试    浏览量:4897

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