DCDC電源實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)測試方案解析

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(wěn)定性與快速性，而在DCDC轉(zhuǎn)換器芯片的選型時，負載瞬態(tài)測試表現(xiàn)也是評估該芯片動態(tài)性能的重要參考。下圖是某DCDC轉(zhuǎn)換器負載瞬態(tài)測試的典型波形，CH3為輸出電壓的AC分量，CH4為負載電流。注意到負載電流上升斜率與下降斜率并不相同，較緩的上升斜率對應(yīng)較小的電壓跌落（Undershoot），而陡峭的下降斜率則對應(yīng)較大的電壓過沖（Overshoot）。

圖1 負載動態(tài)典型波形

負載瞬態(tài)通常使用電子負載（E-Load）進行測試，前面提到，負載的跳變斜率（Slew Rate）將對測試結(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)電子負載所能實現(xiàn)的di/dt不會很高，另外受不同廠家設(shè)計等因素影響，不同型號的電子負載其能實現(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A和B，在同樣設(shè)置2.5A/us時的實際電流上升斜率對比，可以看到實際電流跳變斜率遠小于設(shè)置值，而不同型號的跳變斜率也不一樣。這可能導(dǎo)致電源瞬態(tài)測試結(jié)果偏理想，或?qū)Σ煌酒g性能評估不夠客觀。因此，設(shè)計一款簡易實用，負載跳變斜率可滿足實驗要求的電子負載具有重要工程意義。

圖2（a） 型號A 圖2（b） 型號B

要實現(xiàn)較高的負載跳變速率，常規(guī)的設(shè)計思路是使用MOSFET對負載電阻進行開斷，該方法實現(xiàn)雖然簡單，但實際應(yīng)用時存在一個明顯缺點：由于MOSFET的開關(guān)過程一般在百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），一般的滑動變阻器都是屬于繞線型電阻，其ESL往往較大，因此較難實現(xiàn)高跳變速率。而若選用獨立的無感功率電阻，假設(shè)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(zhǔn)備多達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，且測試電壓或負載電流改變時必須更換相應(yīng)電阻，十分麻煩。

針對上述傳統(tǒng)方法的不足，本文設(shè)計了一種基于MOSFET的小功率實用電子負載。如下圖所示，該設(shè)計主要包括MOSFET，驅(qū)動級，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(guī)的開關(guān)狀態(tài)，而是使其工作在恒流區(qū)，脈沖發(fā)生器通過DRV8836驅(qū)動MOSFET，產(chǎn)生一定幅值和脈寬的GS電壓，進而實現(xiàn)漏極電流（負載電流）的跳變。其中負載電流的幅值可通過調(diào)節(jié)LDO輸出電壓進行控制，負載電流的上升/下降斜率則可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電阻阻值進行控制。

圖3 系統(tǒng)框圖

設(shè)計中有幾點值得注意：

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)動電阻的方式進行斜率調(diào)節(jié)，當(dāng)GS電壓與驅(qū)動電壓小于二極管正向壓降時，二極管將相當(dāng)于高阻，會使得驅(qū)動回路時間常數(shù)變大，動態(tài)變差，因此這里使用DRV8836的兩個半橋?qū)崿F(xiàn)充放電的獨立控制；

2. 實際負載動態(tài)測試需要實現(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. 為方便離線運行，脈沖發(fā)生器部分這里采用了LMC555定時器搭建脈沖發(fā)生電路，以下電路實現(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，調(diào)節(jié)R2即可調(diào)節(jié)充放電時間，從而實現(xiàn)占空比可調(diào)。充放電時間及脈沖頻率計算如下式：

在實際條件允許時，也可直接使用信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號。

為驗證設(shè)計的可行性，基于上述設(shè)計框圖搭建原型機如下圖：

圖4 原型機

原型機使用鋁殼功率電阻作為DC負載，通過多圈可調(diào)電位器調(diào)節(jié)驅(qū)動電阻，以達到不同的負載跳變斜率，對被測DCDC模塊進行5V/1A~6A的負載瞬態(tài)實驗，實驗結(jié)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：

圖5（a） 125mA/us 圖5（b） 250mA/us

圖5（c） 2.5A/us 圖5（d） 2.5A/us Zoom In

從實驗結(jié)果可以看到，所搭建的原型機能實現(xiàn)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調(diào)節(jié)驅(qū)動電阻和LDO輸出電壓進行連續(xù)調(diào)節(jié)。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，可見負載跳變速率（Slew Rate）對負載瞬態(tài)測試結(jié)果的影響是十分明顯的。

本文從實際負載瞬態(tài)實驗的需求出發(fā)，分析了現(xiàn)有電子負載的局限性，針對該不足并結(jié)合實際應(yīng)用需求設(shè)計了一款簡易實用的小功率電子負載，給出了具體系統(tǒng)框圖及設(shè)計要點，并據(jù)此搭建了原型機進行實驗驗證。實驗結(jié)果證明，原型機可以實現(xiàn)既定斜率下的負載跳變，能較好地滿足小功率負載瞬變測試的需求。
編輯：hfy