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小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試

發(fā)布時間:2021-01-07 來源:Captain Luo 責任編輯:wenwei

【導讀】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)。
 
小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試
圖1 負載動態(tài)典型波形
 
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。
 
小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試 
圖2(a) 型號A      圖2(b) 型號B
 
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。
 
小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試
圖3 系統(tǒng)框圖
 
設(shè)計中有幾點值得注意:
 
1. 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;
 
2. 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;
 
3. 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;
 
4. 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:
 
小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試
小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試
 
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:
 
小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試
圖4 原型機
 
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:
 
小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試
圖5(a) 125mA/us      圖5(b) 250mA/us
 
小功率電子負載實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試
圖5(c) 2.5A/us           圖5(d) 2.5A/us Zoom In
 
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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