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作者: Ryan Manack

许多应用处理器均需要现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和其它大功率中央处理器(CPU)等负载的电流快速变化。这些系统的电源要求特别注意控制拓扑结构选择和输出滤波器设计,以支持快速电流阶跃。一旦设计完成,关键的挑战就是测试电源与规定的电流阶跃和转换速率。在本文中,我们举例说明了一个简单电路,可进行超过300安培/微秒(A/us)的电流转换。

用电子负载测试电源的瞬态响应很常见。对许多系统轨(如服务器的3.3V或5V总线)而言,电子负载很容易配置为在2-10A/us的范围内汲入电流的模式。但是,内核电压可能需要转换速率比这些水平高两个数量级。高转换速率测试中的一个主要限制因素是负载路径中的寄生电感。要以300A/us的速率为0.9V输出转换15A的电流,公式1计算出的最高电感是3nH。作为参考,成圈状通过电流探头的16级导线的1英寸片可将20nH的电感添加到负载路径中。很明显,需要另一种电流汲入方法。


大多数电源评估模块可以很容易地被配置为快速汲入电流的模式。图1举例说明了分立金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)加可直接从输出平面焊接到接地装置的检测电阻器电路。选择快速切换的低栅极电荷MOSFET以及能处理负载功率的低电感检测电阻器至关重要。


图1举例说明了分立MOSFET加检测电阻器电路


具有50ohm输出的任意波形发生器足以驱动MOSFET栅极。使用“脉冲”波形并保持很低的占空比,以限制开关和检测电阻器的功耗 —— 频率为1kHz时10%是合理的。调谐栅极电压以便在其线性区域中运行场效应晶体管(FET),目的是设置电流。使用具有全带宽的差分探头或无源探头来对跨检测电阻器的电压进行检测。计算电流用检测电阻除测量的电压,计算转换速率用时间变化除电流变化(ΔI/Δt)。通过增加(或减少)波形发生器的上升和下降时间来调整ΔI/Δt。图2展示了瞬态负载经校准的电压(电流)波形。



图2展示了瞬态负载经校准的电压(电流)波形



图3展示了对0.9V输出(被15A的负载阶跃以300A/us的速率扰动)的瞬态响应。


通过分立MOSFET加检测电阻器电路负载,以高转换速率测试负载瞬变是可以实现的。因为最大限度地降低环路中的电感很重要,所以这些组件被直接焊接到无电流探头的印刷电路板。然后函数发生器可用于驱动MOSFET并微调负载电流和上升/下降时间。请随时在下方对该方法提出问题或作出评论。

Anonymous
  • 严格意义上,此时的负载阶跃的爬升和下降斜率并不是完全线性的,所以实际含有的电流转换率频率并是按照理想状况进行,这意味着,这个测试系统并不能真实的反映负载阶跃的频率,我们知道负载阶跃测试是用来检验环路的重要依据,所以这样的一个并非理想状态(电流爬升斜率并非线性,而是指数)的负载阶跃测试仪,并不能真实的测试评估环路的带宽,因为负载变化斜率含有其他的斜率成分。

    一个电源系统环路设计的带宽再高,只要负载阶跃的斜率足够快,一定会测到瞬态出现抖动的情况,所以用这个测试体系不能精确反映环路,只能用来做一个非常粗线条的评估。

    真实的负载阶跃测试仪,应该能够测试线性的不同电流上升下降斜率,这样可以一直扫描,找到环路响应变差的极限,从而锚定该环路适用的负载领域)

  • 图文并茂的阐述了通过分立MOSFET加检测电阻器电路负载,以高转换速率测试负载瞬变是可以实现的。通过公式计算和实践相结合,很好的验证了这一点,讲解详细,思路清晰,值得推荐和学习。

  • 学习了对于电源设计的测试。