測(cè)試設(shè)備和專門設(shè)計(jì)的負(fù)載電路之間的比較

本教程由三部分組成，介紹了用于測(cè)試大電流、低壓電源的高性能電子負(fù)載，第一部分描述了對(duì)特殊電子負(fù)載的需求，例如所需的特殊電氣特性。它還提供了“現(xiàn)成”測(cè)試設(shè)備和專門設(shè)計(jì)的負(fù)載電路之間的比較。

為什么臺(tái)式電子負(fù)載不足

現(xiàn)代 CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 的電力需求在幅度和性能上都在不斷增加。電源電流要求已上升到數(shù)百安培，電源帶寬需要高于100kHz，以滿足嚴(yán)格的瞬態(tài)響應(yīng)要求。與此同時(shí)，電源電壓呈下降趨勢(shì)，大多數(shù)內(nèi)核電壓現(xiàn)在低于1V，有些低至300mV。這些趨勢(shì)使得使用傳統(tǒng)的“臺(tái)式”電子負(fù)載來(lái)表征合適電源的性能變得越來(lái)越困難。

性能受阻性損耗和寄生電感的限制

市售電子負(fù)載將出色的精度與復(fù)雜的控制接口相結(jié)合，可以在高功率下吸收非常高的電流。Chroma 63600系列就是一個(gè)很好的例子。該系列提供幾種不同的型號(hào)，每種型號(hào)都針對(duì)不同的電壓、功率和電流范圍量身定制。裕量要求最低的型號(hào)是63640-80-80，它可以從400mV電源吸收約80A電流，如圖1所示。該工作點(diǎn)表明其可實(shí)現(xiàn)的最低電阻接近5mO。這些負(fù)載中的每一個(gè)都可以吸收高達(dá) 80A 的電流，限制為 400W。

圖1.Chroma 63600系列電壓和電流裕量特性。圖片由Chroma USA提供。

這是令人印象深刻的性能。但要測(cè)試 300A、0.8V 電源，必須至少并聯(lián)四個(gè) 63640-80-80 負(fù)載模塊，以實(shí)現(xiàn)低于 2.7mΩ 的有效導(dǎo)通電阻和處理總電流。Chroma 63600-5負(fù)載主機(jī)使我們能夠做到這一點(diǎn)，在一個(gè)機(jī)箱中組合多達(dá)五個(gè)負(fù)載模塊，并具有協(xié)調(diào)的控制和測(cè)量功能。

然而，盡管具有出色的規(guī)格，但臺(tái)式負(fù)載陣列的整體性能從根本上受到其與被測(cè)電源的電氣連接的限制。例如，圖2顯示了如何將大電流電源連接到一組電子負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。

銅和鋁“母線”導(dǎo)體用于連接，五個(gè)電子負(fù)載模塊并聯(lián)運(yùn)行以處理電流和功率。不幸的是，這種測(cè)試設(shè)置的外形尺寸要求大電流導(dǎo)體跨越40cm或更長(zhǎng)，并且該路徑長(zhǎng)度在被測(cè)電源和負(fù)載模塊之間施加了顯著的電阻損耗。這種增加的電阻會(huì)削減負(fù)載處的電壓裕量，導(dǎo)體中的寄生電感LP為可實(shí)現(xiàn)的最大負(fù)載瞬態(tài)壓擺率設(shè)置了一個(gè)不可避免的上限。

dI/dt.MAX= V被測(cè)器/LP

令人煩惱的是，并聯(lián)組合的單個(gè)負(fù)載越多，測(cè)試設(shè)置就越大，因此，連接總線中產(chǎn)生的電阻和電感損耗就越多。顯然，需要更專業(yè)的電子負(fù)載解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的壓擺率和最低的總電阻。

電子負(fù)載需要什么？

為了模擬被供電半導(dǎo)體器件的行為，我們需要具有以下所有特性的電子負(fù)載：

負(fù)載電流壓擺率（dI/dt）盡可能高（理想情況下，壓擺率也是可調(diào)的）

精確可調(diào)的負(fù)載電流

高功率耗散能力，包括峰值和連續(xù)

能夠以高保真度和寬帶寬監(jiān)控負(fù)載電流

為了在非常高的電流水平下測(cè)試低壓電源，電子負(fù)載必須具有超低的最小“導(dǎo)通電阻”。最后，電子負(fù)載必須設(shè)計(jì)為以最小的電阻和電感連接到被測(cè)電源，否則整體性能將受到互連本身的限制。

用于電源測(cè)試的電子負(fù)載選項(xiàng)

簡(jiǎn)單的阻性負(fù)載

功率電阻器提供最簡(jiǎn)單的負(fù)載之一。如果尺寸和冷卻正確，它可以滿足高功率耗散的要求，并且可以直接監(jiān)控電流（通過測(cè)量已知電阻兩端的電壓）。添加串聯(lián)開關(guān)可以產(chǎn)生負(fù)載瞬態(tài) - 但負(fù)載將完全打開或完全關(guān)閉 - 并且電流將取決于被測(cè)電壓。電流壓擺率既不受控制，也不可調(diào)。顯然，這不是一個(gè)可以適應(yīng)各種測(cè)試要求的靈活解決方案。

基于運(yùn)算放大器的有源吸電流

為了提供可變負(fù)載和可控的電流擺率（負(fù)載電流上升和下降的速率），有必要圍繞運(yùn)算放大器構(gòu)建有源吸電流電路。該電路的拓?fù)淙鐖D3所示。運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的柵極，以在檢測(cè)電阻兩端建立受控電壓。這導(dǎo)致負(fù)載電流受控，該電流從漏極流向 MOSFET 的源極，并通過檢測(cè)電阻流向地。功率MOSFET增加了電流增益，但不增加電壓增益，因?yàn)樗米鞴猜┓糯笃?，也稱為源極跟隨器。

圖3.基本有源吸電流電路。

該電路可通過低端檢測(cè)電阻的n溝道MOSFET或高端檢測(cè)電阻的p溝道MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。在后一種情況下，電路被更恰當(dāng)?shù)孛枋鰹?a target="_blank">電流源。無(wú)論哪種方式，檢測(cè)電阻都會(huì)增加一點(diǎn)負(fù)反饋，因?yàn)樗B接在MOSFET的源極處，隨著電流的增加而減去柵源電壓，相反，隨著電流的減少，增加柵極驅(qū)動(dòng)，這有助于穩(wěn)定性。

圖4顯示了采用n溝道MOSFET的有源吸電流電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方案。該電路將圖3所示的簡(jiǎn)單吸電流與差分放大器集成在一起。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過考慮輸入信號(hào) （SGND） 和檢測(cè)電阻 （GND） 低端之間的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)接地電位差異來(lái)提高精度。

圖4.詳細(xì)的吸電流電路。

該電路產(chǎn)生的負(fù)載電流與控制信號(hào)的電壓成正比（圖4中標(biāo)記為負(fù)載波形），增益由輸入和增益設(shè)置電阻之比設(shè)置。例如，利用疊加原理分析圖4的電路，我們看到電流跟隨輸入信號(hào)，按增益1/2和檢測(cè)電阻進(jìn)行縮放。

負(fù)載電流 = （VS-GND）/R意義

VS= （負(fù)載波形） x （R/3R） x （1 + R/2R） – SGND x （R/2R） + GND x （2R/3R） x （1 + R/2R）

VS= （負(fù)載波形 - SGND） x （R/2R） + GND

VS– GND = （負(fù)載波形 – SGND） x （R/2R）

負(fù)載電流 = （負(fù)載波形 – SGND） x （1/2） / R意義

因此，檢測(cè)電阻參考于電源地，輸入信號(hào)參考于信號(hào)地。差動(dòng)放大器配置將電源-接地和信號(hào)-地偏移對(duì)吸電流精度的不利影響降至最低。

與簡(jiǎn)單的開關(guān)電阻相比，有源吸電流電路具有許多優(yōu)點(diǎn)。與簡(jiǎn)單的電阻不同，有源吸電流可以產(chǎn)生從零安培到最大電流的可變負(fù)載電流。此外，由于負(fù)載電流由運(yùn)算放大器以閉環(huán)方式控制，因此電流精確地跟蹤控制信號(hào)，因此有源電流吸收可以實(shí)現(xiàn)受控的電流擺率。最后，由于電路中存在固定值電阻元件，因此負(fù)載電流的精確高帶寬測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單。圖5顯示了添加第二個(gè)放大器來(lái)報(bào)告負(fù)載電流的一種方法;在這種情況下，配置為跨導(dǎo)放大器，以便對(duì)來(lái)自多個(gè)吸電流電路的電流測(cè)量信號(hào)進(jìn)行輕松求和。

圖5.用于電流測(cè)量的跨導(dǎo)放大器。

結(jié)論

掌握了有源電子負(fù)載電路的基本原理后，成功設(shè)計(jì)的下一部分是元件選擇和電路布局。

審核編輯：郭婷