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如何使用电子负载进行快速负载瞬态测试

作者:广东泰测电子有限公司 浏览: 发表时间:2022-03-14 23:39:30

在DCDC电源测试中,负载瞬态测试是一个非常重要的环节。使用负载瞬态测试可以快速评估测量电源的稳定性和快速性。在选择DCDC转换器芯片时,负载瞬态测试性能也是评估芯片动态性能的重要参考。如下图波形就是DCDC转换器的器负载瞬态测试。输出电压的AC分量就是CH3,负载电流就是CH4。需要注意的是,负载电流的上升斜率与下降斜率不同。较慢的上升斜率对应于较小的电压下降(Undershot),而陡峭的下降斜率对应于较大的电压过冲(Overshot)。

电子负载(E-Load)通常用于测试负载瞬态。我们前面说过影响测试结果的关键原因有负载的跳变斜率。但是,受设备内部电路的限制,传统电子负载可以实现的di/dt不会很高。此外,受不同厂家设计等因素的影响,不同型号的电子负载可以实现不同的跳变速率,如下图2(a)(b)所示。这可能会导致电源瞬态测试结果理想,或者不同芯片之间的性能评价不够客观。因此,设计一个简单实用的电子负载,可以满足实验要求。

为了实现较高的负载跳转速率,传统的设计理念是使用MOSFET打开负载电阻。虽然该方法简单,但在实际应用中存在明显的缺点:由于MOSFET的开关过程一般为100ns级,因此所选负载电阻的ESL(等效串联电感)主要限制负载电流跳转速率,一般滑动变阻器属于绕线电阻,其ESL往往较大,难以实现高跳转速率。如果选择独立的无感功率电阻,假设测试需要覆盖0.1A/0.5A/1A/2A/3A下的1.8V/3.3.3.5V/5V/12V的负载跳转,则需要准备多达20个不同电阻的电阻。如果电压/电流组合更复杂,则需要更多不同电阻的电阻,并且在测试电压或负载电流变化时必须更换相应的电阻,这是非常麻烦的。

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,该设计主要包括四个部分:MOSFET、驱动级、电源轨和脉冲发生器。其基本工作原理是:MOSFET不处于常规开关状态,而是在恒流区工作。DRV8836驱动MOSFET,产生一定幅度和脉宽的GS电压,从而实现漏极电流(负载电流)的跳变这就是脉冲发生器。负载电流的幅值可通过调整LDO输出电压来控制,负载电流的上升/下降斜率可通过调整驱动电阻值来控制。

设计中有几点值得注意:

由于MOSFET位于恒流区,漏极电流受GS电压控制。如果采用传统的二极管和驱动电阻进行斜率调节,当GS电压和驱动电压小于二极管的正压降时,二极管将相当于高电阻,这将使驱动电路的常数和动态变差。因此,DRV8836的两个半桥用于独立控制充放电;

实际负载动态测试需要将一个电流A跳转到另一个电流B,可分解为DC电流(电流A)和AC电流(电流B)。本设计只考虑AC电流(跳变部分),DC电流只需在MOSFET两端并联一个可调功率电阻;

为了减少MOSFET的发热,可以设置较低的脉冲频率(如10Hz),相应的较低占空比;

为了便于离线操作,脉冲发生器部分采用LMC555定时器构建脉冲发生电路,以下电路实现了频率不变、占空比可调的脉冲发生器。两极管的增加使充放电电路分开,R2可以调整充放电时间,从而实现空比可调。充放电时间和脉冲频率计算如下:

当实际条件允许时,信号发生器也可以直接用来产生脉冲信号。

为验证设计的可行性,基于上述设计框图的原型机如下图所示:

原型机采用铝壳功率电阻作为DC负载,驱动电阻通过多圈可调电位器进行调节,以达到不同的负载跳跃斜率。测量DCDC模块的负载瞬态实验为5V/1A~6A。实验结果如下图所示。通道3为输出电压交流信号,通道4为负载电流:

从实验结果可以看出,在既定(平均)斜率下构建的原型功能可以实现负载跳变,通过调整驱动电阻和LDO输出电压,可以连续调整斜率和负载尺寸。值得注意的是,被测DCDC模块在250ma/us下的电压下降为268mV,而在2.5A/us下达到432mV。由此可见,负载跳变率对负载瞬态测试结果的影响非常明显。

本文从实际负载瞬态实验的需要出发,分析了现有电子负载的局限性,结合实际应用需要设计了简单实用的小功率电子负载,给出了具体的系统框图和设计要点,并建立了原型机进行实验验证。实验结果表明,原型机可以在既定斜率下实现负载跳转,更好地满足小功率负载瞬态试验的需要。

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