如何為ATE應(yīng)用創(chuàng)建具有拉電流和灌電流功能的雙路輸出電壓軌

Jhun Rennel Sanchez and Anthony Serquina

本文詳細(xì)介紹了一種生成雙輸出電壓軌的方法，該方法為器件電源 （DPS） 提供正負(fù)軌，同時(shí)只需要一個(gè)雙向電源。為設(shè)備電源供電的傳統(tǒng)方法使用兩個(gè)雙向（拉電流和灌電流能力）電源，一個(gè)用于正電源軌，一個(gè)用于負(fù)電源軌。此設(shè)置體積龐大且成本高昂。

介紹

DPS 與自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 （ATE） 和其他測(cè)量設(shè)備一起使用。ATE是計(jì)算機(jī)化的機(jī)械，可自動(dòng)執(zhí)行傳統(tǒng)的手動(dòng)電子測(cè)試設(shè)備，以評(píng)估功能，質(zhì)量，性能和壓力測(cè)試。這些 ATE 需要對(duì)其 DPS 進(jìn)行四象限操作。DPS 是一種四象限電源，可以在具有正電壓或負(fù)電壓的同時(shí)供應(yīng)和吸收電流。為了將DPS用于更高電流的應(yīng)用，該解決方案將聯(lián)合多個(gè)DPS器件以提高其電流能力。由于DPS既可以吸收電流，也可以提供電流，因此DPS的電源必須具有相同的功能。開發(fā)雙輸出電壓軌是為了將所需的雙向電源數(shù)量減少到一個(gè)，同時(shí)仍為 DPS 提供正向和負(fù)雙向電源。制作雙向正電源非常簡(jiǎn)單，因?yàn)橛性S多可用的集成電路（IC）可以供應(yīng)和吸收電流。問題在于，負(fù)電源也需要根據(jù)被測(cè)器件（DUT）的要求來源出和吸收電流。一種解決方案是使用具有雙向功能的降壓IC，該IC可配置為用作反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。LTC3871 就是一個(gè)例子，它既可用于正電源軌，也可用于負(fù)電源軌，因?yàn)樗且豢铍p向降壓或升壓控制器。

利用降壓IC設(shè)計(jì)反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器

圖1所示為降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖。它接受正輸入，并以較低的幅度輸出正輸出。圖2所示為反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采用正輸出并輸出更低或更高的負(fù)幅度。如圖3所示，通過執(zhí)行以下操作，可以將降壓拓?fù)滢D(zhuǎn)換為反相降壓-升壓拓?fù)洌?/p>

將降壓轉(zhuǎn)換器的正輸出轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)地

將降壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)地轉(zhuǎn)換為負(fù)輸出節(jié)點(diǎn)

在 V 之間施加輸入電壓在和降壓轉(zhuǎn)換器的正輸出

圖4顯示了如何將降壓IC轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓配置的簡(jiǎn)化原理圖。

圖1.降壓轉(zhuǎn)換器。

圖2.反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

圖3.將降壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為反相降壓-升壓配置。

圖4.用于反相降壓-升壓拓?fù)涞慕祲篒C。

轉(zhuǎn)換后的降壓IC的工作原理

采購(gòu)電流

圖5顯示了反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的波形以及拉電流時(shí)的電流。圖5a顯示了控制MOSFET導(dǎo)通時(shí)整個(gè)轉(zhuǎn)換器的電流。圖5c顯示了流過控制MOSFET的電流，其平均值是輸入電流。在此期間，電感開始存儲(chǔ)能量，在輸出電容為負(fù)載供電的同時(shí)斜坡上升電流。電感電壓等于此周期的輸入電壓。

當(dāng)控制MOSFET關(guān)斷時(shí)，同步MOSFET導(dǎo)通，圖5b顯示了流經(jīng)它的電流。輸出電流是同步MOSFET的平均電流，電感電壓等于輸出電壓。當(dāng)電感器為負(fù)載和電容器供電時(shí)，其電流開始下降。這將重復(fù)每個(gè)開關(guān)周期。

轉(zhuǎn)換器的反饋控制脈寬調(diào)制（PWM），以將輸出電壓調(diào)節(jié)到所需電平，該電平由分壓器電阻器設(shè)置。公式1顯示了輸出電壓和輸入電壓之間的關(guān)系。

其中

V外= 輸出電壓

V在= 輸入電壓

D = 占空比

η = 系統(tǒng)效率

占空比大于50%時(shí)輸出電壓大于輸入電壓，占空比小于50%時(shí)輸出電壓小于輸入電壓。

圖5.（a） 導(dǎo)通時(shí)間期間的電流，（b） 關(guān)斷時(shí)間的電流，（c） 通過頂部/控制 MOSFET 的電流，（d） 通過機(jī)器人/同步 MOSFET 的電流，以及 （e） 電感器電壓。

沉電流

當(dāng)轉(zhuǎn)換器開始吸收電流時(shí)，電流從輸出流向輸入，如圖6a和6b所示。流過控制和同步MOSFET的電流分別如圖6c和6d所示。由于轉(zhuǎn)換器正在吸收電流，因此可以看到負(fù)電流流過MOSFET。測(cè)試結(jié)果部分顯示了灌電流期間的負(fù)電感電流。

圖6.（a） 導(dǎo)通時(shí)間期間的電流，（b） 關(guān)斷時(shí)間期間的電流，（c） 流過頂部/控制 MOSFET 的電流，以及 （d） 流經(jīng)機(jī)器人/同步 MOSFET 的電流。

測(cè)試結(jié)果

圖7顯示了用于測(cè)試設(shè)計(jì)的源-灌和灌-源能力的實(shí)際測(cè)試設(shè)置。圖 8 顯示了該設(shè)置的框圖。雙向直流電源充當(dāng) V 的電源收銀機(jī)并且處于 CV 模式。另一個(gè)直流電源連接到 V 的輸出內(nèi)格.該直流電源控制沉入系統(tǒng)的電流量。阻斷二極管與該直流電源串聯(lián)，以確保轉(zhuǎn)換器提供電流時(shí)沒有電流流入其中。電荷載用作初始荷載，以表明系統(tǒng)能夠從源向下沉過渡，反之亦然。

圖7.用于源-接收器測(cè)試的電路板設(shè)置。

圖8.設(shè)置的框圖。

捕獲的波形如圖9所示。當(dāng)直流電源接通時(shí)，VNEG 電源軌開始吸收電流。從電感電流波形可以看出，它從正電流過渡到負(fù)電流。當(dāng)VNEG灌電流時(shí)，系統(tǒng)在此條件下處于開環(huán)狀態(tài)，源-灌電流由外部直流電源的CC模式控制。圖 10 中的 VPOS 也是如此。當(dāng)連接到其輸出的直流電源打開時(shí)，VPOS 軌開始吸收電流。

圖9.VNEG 源到灌電流的轉(zhuǎn)換（+1 A 至 –20 A）。

圖 10.VPOS 源到灌電流的轉(zhuǎn)換（+1 A 至 –20 A）。
圖11中捕獲并顯示的波形是系統(tǒng)的源到灌轉(zhuǎn)換行為。從電感電流可以看出，它從負(fù)電流過渡到正電流。這表示當(dāng)VNEG兩端注入的直流電壓被移除時(shí)，轉(zhuǎn)換回源電流。對(duì)于圖 12 所示的 VPOS 電源軌也是如此。

圖 11.VNEG灌電流到源極的轉(zhuǎn)換（–20 A至+1 A）。

圖 12.VPOS 灌電流到源極的轉(zhuǎn)換（–20 A 至 +1 A）。
結(jié)論
雙輸出電壓軌減少了所需的設(shè)備，因?yàn)樗呀?jīng)在VPOS和VNEG上具有雙向能力。當(dāng)一個(gè)電源軌上沉入的電流用于為另一個(gè)電源軌供電時(shí)，效率也更高，從而減少了主電源供電的電流。該轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在設(shè)計(jì)雙向反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，它允許更多的IC選擇。

審核編輯：郭婷