電源設計中負載瞬態測試的一些細節及方法
微處理器和專用集成電路（ASIC）需要低電壓、大電流電源。這些電源通常對輸出電壓偏差有非常嚴格的要求，尤其是對負載瞬態事件。對設計人員而言，測試這些電源可能會面臨許多挑戰，并且難以確認是否符合特定規格。
本文將解答負載瞬態測試的相關問題，并介紹可在苛刻條件下簡化測試的一些方法。
為了正確設計電源，您首先需要了解所有的瞬態參數，以及它們如何應用于測試。常見的瞬態參數包括：
• 負載階躍的大小（以安培為單位或以滿載的百分比表示）
• 瞬態事件中的最小負載（有時為零）
• 負載階躍的轉換速率（通常以安培每微秒為單位）
• 階躍兩極允許的最大電壓偏差
• 預計恢復時間
圖1舉例說明了這些規格通常是如何被定義的。
圖1：負載瞬態測量的圖形描述。
了解所有參數之后，便可嘗試設計滿足要求的電源了。然而，按上述要求測試成為一大挑戰。輸出電壓為1V，負載階躍為100A，轉換速率為1000A/μs的要求并不常見。在大多數測試情況下，限制因素是被測電源和負載之間的電感。在實際系統中，電源往往正好靠近其供電的負載，從而使寄生電感最小化。
您可以使用多種方法來測試選定電源的負載瞬態響應，但是每種方法各有利弊。這里我將比較以下選項：外部電子負載、外部瞬態板、場效應晶體管（FET）Slammer、板載瞬態發生器和基于插座的瞬態測試儀。
外部電子負載可能是測試瞬態響應最常用和最便捷的方法。大多數負載具有使您能夠輕松設置電流等級和轉換時間的模式。由于外部接線或實際負載限制，其主要缺點是轉換速率有所限制。
外部瞬態板通常可以在轉換速率方面獲得更好的結果，但這會降低一定的靈活性。根據設計的不同，負載瞬態板可能受限于最大電流、散熱或轉換速率。由于瞬態板屬于外部連接，接線通常是轉換速率限制的瓶頸。此外，還需要為每個測試電源調整或配置電路板。
FET slammer是獲得高速瞬態結果的一種快速且簡單的方法。通過電阻器或直接穿過電源的輸出端將金屬氧化物半導體場效應晶體管從漏極連接到源極，函數發生器控制柵極。由于外部接線很少，所以寄生電感大幅降低。
雖然這種方法通常可以產生高轉換速率，但控制和重復測試可能有難度。也許需要修改PCB（圖2）。該方法的另一個問題是難以測量實際負載階躍電流，并且測出的數據可能不準確。
圖2：具有FET slammer的PCB示例。
測試大電流高速瞬態性能時，板載瞬態發生器將非常實用，可以為特定的負載瞬態規格設計電路。主要缺點是組件會額外產生成本和占用空間。此外，采取多種不同測量可能難以兼具靈活性或比較耗時。
板載瞬態發生器的設計也非常復雜。它可以像由555定時器控制的電阻和FET一樣簡單，也可以像圖3所示的設計那樣復雜。更復雜的設計是使用多級和更小、更快的開關FET，這種設計可以實現1000A/μs的轉換速率。
圖3：復雜版本的板載瞬態發生器。
最后一個選項是使用處理器插座和專門的瞬態測試儀。這個選項是最昂貴的方法，因為工具本身很昂貴，而PCB的價格也日益上漲，但是可以為一組給定的處理器要求得出最準確的結果。處理器或ASIC制造商經常開發這類工具，因此這些工具專門用于提供正確的測試條件。
表1總結了幾種瞬態測試方法。
表1：不同瞬態測試方法的比較。
負載瞬態測試是電源設計和合規中非常重要的一環。測試夾具中的寄生電感可能對實現所需轉換速率的能力有負面影響。使用上述方法，能幫助避免這個問題。
|
