小功率電子負(fù)載實(shí)現(xiàn)快速負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試

作者：Captain Luo

在DCDC電源測(cè)試中，負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試（Load Transient Test）是十分重要的一環(huán)，利用負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試，可以快速評(píng)估所測(cè)電源的穩(wěn)定性與快速性，而在DCDC轉(zhuǎn)換器芯片的選型時(shí)，負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試表現(xiàn)也是評(píng)估該芯片動(dòng)態(tài)性能的重要參考。下圖是某DCDC轉(zhuǎn)換器負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試的典型波形，CH3為輸出電壓的AC分量，CH4為負(fù)載電流。注意到負(fù)載電流上升斜率與下降斜率并不相同，較緩的上升斜率對(duì)應(yīng)較小的電壓跌落（Undershoot），而陡峭的下降斜率則對(duì)應(yīng)較大的電壓過(guò)沖（Overshoot

圖1 負(fù)載動(dòng)態(tài)典型波形

負(fù)載瞬態(tài)通常使用電子負(fù)載（E-Load）進(jìn)行測(cè)試，前面提到，負(fù)載的跳變斜率（Slew Rate）將對(duì)測(cè)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(fù)載所能實(shí)現(xiàn)的di/dt不會(huì)很高，另外受不同廠家設(shè)計(jì)等因素影響，不同型號(hào)的電子負(fù)載其能實(shí)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(hào)A和B，在同樣設(shè)置2.5A/us時(shí)的實(shí)際電流上升斜率對(duì)比，可以看到實(shí)際電流跳變斜率遠(yuǎn)小于設(shè)置值，而不同型號(hào)的跳變斜率也不一樣。這可能導(dǎo)致電源瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果偏理想，或?qū)Σ煌酒g性能評(píng)估不夠客觀。因此，設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易實(shí)用，負(fù)載跳變斜率可滿足實(shí)驗(yàn)要求的電子負(fù)載具有重要工程意義。

圖2(a) 型號(hào)A

圖2(b) 型號(hào)B

要實(shí)現(xiàn)較高的負(fù)載跳變速率，常規(guī)的設(shè)計(jì)思路是使用MOSFET對(duì)負(fù)載電阻進(jìn)行開(kāi)斷，該方法實(shí)現(xiàn)雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在一個(gè)明顯缺點(diǎn)：由于MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程一般在百ns級(jí)，因此限制負(fù)載電流跳變速率的主要是所選負(fù)載電阻的ESL（等效串聯(lián)電感），一般的滑動(dòng)變阻器都是屬于繞線型電阻，其ESL往往較大，因此較難實(shí)現(xiàn)高跳變速率。而若選用獨(dú)立的無(wú)感功率電阻，假設(shè)測(cè)試需要能覆蓋1.8V/3.3V/5V/12V在0.1A/0.5A/1A/2A/3A下的負(fù)載跳變，就需要準(zhǔn)備多達(dá)20種不同阻值的電阻，若電壓/電流組合更復(fù)雜，則所需不同阻值的電阻將更多，且測(cè)試電壓或負(fù)載電流改變時(shí)必須更換相應(yīng)電阻，十分麻煩。

針對(duì)上述傳統(tǒng)方法的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于MOSFET的小功率實(shí)用電子負(fù)載。如下圖所示，該設(shè)計(jì)主要包括MOSFET，驅(qū)動(dòng)級(jí)，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(kāi)關(guān)狀態(tài)，而是使其工作在恒流區(qū)，脈沖發(fā)生器通過(guò)DRV8836驅(qū)動(dòng)MOSFET，產(chǎn)生一定幅值和脈寬的GS電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)漏極電流（負(fù)載電流）的跳變。其中負(fù)載電流的幅值可通過(guò)調(diào)節(jié)LDO輸出電壓進(jìn)行控制，負(fù)載電流的上升/下降斜率則可通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻阻值進(jìn)行控制。

設(shè)計(jì)中有幾點(diǎn)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(dòng)電阻的方式進(jìn)行斜率調(diào)節(jié)，當(dāng)GS電壓與驅(qū)動(dòng)電壓小于二極管正向壓降時(shí)，二極管將相當(dāng)于高阻，會(huì)使得驅(qū)動(dòng)回路時(shí)間常數(shù)變大，動(dòng)態(tài)變差，因此這里使用DRV8836的兩個(gè)半橋?qū)崿F(xiàn)充放電的獨(dú)立控制；

2、實(shí)際負(fù)載動(dòng)態(tài)測(cè)試需要實(shí)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(jì)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(yīng)搭配較低的占空比；

4、為方便離線運(yùn)行，脈沖發(fā)生器部分這里采用了LMC555定時(shí)器搭建脈沖發(fā)生電路，以下電路實(shí)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(kāi)，調(diào)節(jié)R2即可調(diào)節(jié)充放電時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)。充放電時(shí)間及脈沖頻率計(jì)算如下式：

在實(shí)際條件允許時(shí)，也可直接使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，基于上述設(shè)計(jì)框圖搭建原型機(jī)如下圖：

原型機(jī)使用鋁殼功率電阻作為DC負(fù)載，通過(guò)多圈可調(diào)電位器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻，以達(dá)到不同的負(fù)載跳變斜率，對(duì)被測(cè)DCDC模塊進(jìn)行5V/1A~6A的負(fù)載瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，通道3為輸出電壓交流信號(hào)，通道4為負(fù)載電流：

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，所搭建的原型機(jī)能實(shí)現(xiàn)在既定（平均）斜率下的負(fù)載跳變，且斜率及負(fù)載大小可以分別通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻和LDO輸出電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。值得注意的是，被測(cè)DCDC模塊在250mA/us下的電壓跌落（Undershoot）為268mV，而在2.5A/us下則達(dá)到432mV，可見(jiàn)負(fù)載跳變速率（Slew Rate）對(duì)負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果的影響是十分明顯的。

本文從實(shí)際負(fù)載瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)的需求出發(fā)，分析了現(xiàn)有電子負(fù)載的局限性，針對(duì)該不足并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易實(shí)用的小功率電子負(fù)載，給出了具體系統(tǒng)框圖及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并據(jù)此搭建了原型機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，原型機(jī)可以實(shí)現(xiàn)既定斜率下的負(fù)載跳變，能較好地滿足小功率負(fù)載瞬變測(cè)試的需求。

審核編輯：何安