小功率電子負載實(shí)現快速負載瞬態(tài)測試
更新時(shí)間：2022-09-13 點(diǎn)擊次數：374次
在DCDC電源測試中，負載瞬態(tài)測試（Load Transient Test）是十分重要的一環(huán)，利用負載瞬態(tài)測試，可以快速評估所測電源的穩定性與快速性，而在DCDC轉換器芯片的選型時(shí)，負載瞬態(tài)測試表現也是評估該芯片動(dòng)態(tài)性能的重要參考。
負載瞬態(tài)通常使用電子負載（E-Load）進(jìn)行測試，前面提到，負載的跳變斜率（Slew Rate）將對測試結果產(chǎn)生關(guān)鍵影響，然而受設備內部電路限制，常規電子負載所能實(shí)現的di/dt不會(huì )很高，另外受不同廠(chǎng)家設計等因素影響，不同型號的電子負載其能實(shí)現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A和B，在同樣設置2.5A/us時(shí)的實(shí)際電流上升斜率對比，可以看到實(shí)際電流跳變斜率遠小于設置值，而不同型號的跳變斜率也不一樣。這可能導致電源瞬態(tài)測試結果偏理想，或對不同芯片之間性能評估不夠客觀(guān)。因此，設計一款簡(jiǎn)易實(shí)用，負載跳變斜率可滿(mǎn)足實(shí)驗要求的電子負載具有重要工程意義。
要實(shí)現較高的負載跳變速率，常規的設計思路是使用MOSFET對負載電阻進(jìn)行開(kāi)斷，該方法實(shí)現雖然簡(jiǎn)單，但實(shí)際應用時(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，因此限制負載電流跳變速率的主要是所選負載電阻的ESL（等效串聯(lián)電感），一般的滑動(dòng)變阻器都是屬于繞線(xiàn)型電阻，其ESL往往較大，因此較難實(shí)現高跳變速率。而若選用獨立的無(wú)感功率電阻，假設測試需要能覆蓋1.8V/3.3V/5V/12V在0.1A/0.5A/1A/2A/3A下的負載跳變，就需要準備多達20種不同阻值的電阻，若電壓/電流組合更復雜，則所需不同阻值的電阻將更多，且測試電壓或負載電流改變時(shí)需更換相應電阻，十分麻煩。
針對上述傳統方法的不足，本文設計了一種基于MOSFET的小功率實(shí)用電子負載。如下圖所示，該設計主要包括MOSFET，驅動(dòng)級，電源軌及脈沖發(fā)生器四部分。其基本工作原理為：MOSFET并非處于常規的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而是使其工作在恒流區，脈沖發(fā)生器通過(guò)DRV8836驅動(dòng)MOSFET，產(chǎn)生一定幅值和脈寬的GS電壓，進(jìn)而實(shí)現漏極電流（負載電流）的跳變。其中負載電流的幅值可通過(guò)調節LDO輸出電壓進(jìn)行控制，負載電流的上升/下降斜率則可通過(guò)調節驅動(dòng)電阻阻值進(jìn)行控制。
設計中有幾點(diǎn)值得注意：
由于MOSFET處于恒流區，漏極電流受控于GS電壓，若采用傳統二極管加驅動(dòng)電阻的方式進(jìn)行斜率調節，當GS電壓與驅動(dòng)電壓小于二極管正向壓降時(shí)，二極管將相當于高阻，會(huì )使得驅動(dòng)回路時(shí)間常數變大，動(dòng)態(tài)變差，因此這里使用DRV8836的兩個(gè)半橋實(shí)現充放電的獨立控制；
實(shí)際負載動(dòng)態(tài)測試需要實(shí)現某一電流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）。本設計只需考慮AC電流（跳變部分），DC電流只需在MOSFET兩端并聯(lián)一可調功率電阻即可；
為減小MOSFET發(fā)熱，可設置較低的脈沖頻率（如10Hz），而相應搭配較低的占空比；
為方便離線(xiàn)運行，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)現了頻率不變而占空比可調的脈沖發(fā)生器。兩二極管的加入使得充放電回路分開(kāi)，調節R2即可調節充放電時(shí)間，從而實(shí)現占空比可調。充放電時(shí)間及脈沖頻率計算如下式：
原型機使用鋁殼功率電阻作為DC負載，通過(guò)多圈可調電位器調節驅動(dòng)電阻，以達到不同的負載跳變斜率，對被測DCDC模塊進(jìn)行5V/1A~6A的負載瞬態(tài)實(shí)驗，實(shí)驗結果如下圖所示，通道3為輸出電壓交流信號，通道4為負載電流：
從實(shí)驗結果可以看到，所搭建的原型機能實(shí)現在既定（平均）斜率下的負載跳變，且斜率及負載大小可以分別通過(guò)調節驅動(dòng)電阻和LDO輸出電壓進(jìn)行連續調節。值得注意的是，被測DCDC模塊在250mA/us下的電壓跌落（Undershoot）為268mV，而在2.5A/us下則達到432mV，可見(jiàn)負載跳變速率（Slew Rate）對負載瞬態(tài)測試結果的影響是十分明顯的。
本文從實(shí)際負載瞬態(tài)實(shí)驗的需求出發(fā)，分析了現有電子負載的局限性，針對該不足并結合實(shí)際應用需求設計了一款簡(jiǎn)易實(shí)用的小功率電子負載，給出了具體系統框圖及設計要點(diǎn)，并據此搭建了原型機進(jìn)行實(shí)驗驗證。實(shí)驗結果證明，原型機可以實(shí)現既定斜率下的負載跳變，能較好地滿(mǎn)足小功率負載瞬變測試的需求。
咨詢(xún)電話(huà)