高壓擺率負載瞬態(tài)測試方案

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本期，我們將介紹負載瞬態(tài)測試和簡化復(fù)雜測試的詳細知識

微處理器和應(yīng)用特定集成電路 (ASIC)需要低電壓、高電流電源。此類電源通常對輸出電壓偏差有非常嚴格的要求，對于負載瞬態(tài)事件尤其如此。測試此類電源會給設(shè)計人員帶來一定的挑戰(zhàn)，并且可能難以確認是否符合規(guī)范。

本文將介紹更多負載瞬態(tài)測試的詳細信息以及可用于簡化這些復(fù)雜測試的方法。

首先，需要了解所有瞬態(tài)規(guī)格，以便合理設(shè)計電源，同時還需要了解它們?nèi)绾螒?yīng)用于測試。典型的瞬態(tài)規(guī)格包括：

負載階躍大小，以安培為單位或以占滿負載的百分比表示。

瞬態(tài)事件（有時為零）期間的最小負載。

負載階躍的壓擺率，通常以安培/微秒為單位。

階躍兩個邊沿支持的最大電壓偏差。

預(yù)期恢復(fù)時間。

圖 1 展示了通常如何定義這些規(guī)格的示例。

圖 1：負載瞬態(tài)測量的圖形說明

了解所有規(guī)格后，可以嘗試設(shè)計可滿足要求的電源。但滿足測試要求往往是一項挑戰(zhàn)。1V輸出電壓、100A負載階躍和1000A/μs壓擺率的要求再正常不過。在大多數(shù)測試情況下，限制因素是待測電源和負載之間的電感。在實際系統(tǒng)中，電源通常緊鄰其所供電的負載放置，以便更大限度地減少寄生電感。

可以使用多種方法來測試給定電源的負載瞬態(tài)響應(yīng)；每種方法都各有其優(yōu)缺點。本文將比較以下方案：外部電子負載、外部瞬態(tài)電路板、“場效應(yīng)晶體管 (FET) 沖擊”、板載瞬態(tài)發(fā)生器和基于插槽的瞬變測試儀。

外部電子負載可能是測試瞬態(tài)響應(yīng)的最常用，也是最方便的方法。大多數(shù)負載都具有可輕松設(shè)置電流電平和轉(zhuǎn)換時間的模式。主要缺點是壓擺率受限，這是源于外部接線或?qū)嶋H負載限制。

在壓擺率方面，外部瞬態(tài)電路板通常具有更出色的表現(xiàn)，但會降低靈活性。根據(jù)設(shè)計的不同，負載瞬態(tài)電路板可能會在最大電流、熱耗散或壓擺率方面受到限制。瞬態(tài)電路板從外部連接，因此接線通常成為限制壓擺率的因素。此外，還需要為測試的每個電源調(diào)整或配置電路板。

FET 沖擊是一種獲得高速瞬態(tài)結(jié)果的快速、直接方法。可以通過電阻器將金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)從漏極連接到源極，或直接連接到電源的輸出端，并使用函數(shù)發(fā)生器控制柵極。由于外部接線較少，因此寄生電感顯著降低。

雖然這種方法通常會產(chǎn)生高壓擺率，但測試可能難以控制和實現(xiàn)可重復(fù)性。可能還需要修改印刷電路板 (PCB) （圖2）。此方法的另一個問題是，測量實際負載階躍電流有一定困難，并且測量值可能不準(zhǔn)確。

圖 2：包含 FET 沖擊的 PCB 示例

在嘗試測試高電流、高速瞬態(tài)的性能時，板載瞬態(tài)發(fā)生器會非常實用。可以按照確切的負載瞬態(tài)規(guī)格設(shè)計電路。主要缺點是元件會產(chǎn)生額外成本和空間占用。此外，靈活進行多種不同的測量可能既困難又耗時。

板載瞬態(tài)發(fā)生器的設(shè)計也可能非常復(fù)雜。它可以像由 555 計時器控制的電阻器和 FET 一樣簡單，也可以像圖 3 中所示的一樣復(fù)雜。更為復(fù)雜的設(shè)計采用尺寸更小、開關(guān)速度更快的多級 FET。此設(shè)計可實現(xiàn) 1000A/μs 的壓擺率。

圖 3：板載瞬態(tài)發(fā)生器的更復(fù)雜版本

最后一個選擇是使用處理器插槽和專用瞬變測試儀工具。這種方法成本最高，原因在于工具本身可能成本較高，而且 PCB 的成本也十分高昂。但對于一組給定的處理器要求，卻可以獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果。處理器或 ASIC 制造商經(jīng)常開發(fā)此類工具，因而它們是專為滿足特定的測試條件而構(gòu)建。

表 1 總結(jié)了瞬態(tài)測試方案。

表 1：不同瞬態(tài)測試方法的比較

測試負載瞬態(tài)是電源設(shè)計和合規(guī)性的非常重要的部分。測試裝置中的寄生電感會阻礙實現(xiàn)所需壓擺率。希望本文介紹的各種方法可以幫助您避免這個問題。