功率驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)駕馭高難度的負(fù)載并助力電源單元的特性測(cè)試

高速驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載比較困難，根本原因在于電壓變化產(chǎn)生的電流充電速度僅受等效串聯(lián)電阻(ESR)的限制，而對(duì)于現(xiàn)代多層電容器，等效串聯(lián)電阻往往非常小。另一個(gè)原因在于，如果將電容器連接到反饋控制系統(tǒng)，電容器引入的極點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致相位損失。這個(gè)極點(diǎn)迫使我們把帶寬限制在遠(yuǎn)低于期望的水平，以免影響穩(wěn)定性。因此，如果希望在容性負(fù)載上產(chǎn)生清晰而又受控的上下沿，就需要帶寬很寬、電流很大的“緩沖器”，而且它既不能振蕩，也不能體積太大而占據(jù)工作臺(tái)一半的空間。

下面介紹的方法采用極少的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)小尺寸，對(duì)功能的影響很小，而且在需要時(shí)可以很容易地把移除的功能添加回來(lái)。這種被稱為L(zhǎng)ineEdge2的電路可以在連接到大的直流和容性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生高速的上下沿。該電路在Dialog半導(dǎo)體公司內(nèi)廣泛用于線路瞬態(tài)響應(yīng)、PSRR和其它性能測(cè)量，幫助電源管理IC的特性測(cè)試。

現(xiàn)代電源管理IC包含線性和開關(guān)轉(zhuǎn)換器，與數(shù)字內(nèi)核集成在一起。數(shù)字內(nèi)核可以是硬編碼的大型狀態(tài)機(jī)，或者是軟件驅(qū)動(dòng)的微型CPU。所有的轉(zhuǎn)換器都要滿足最大電壓變化范圍的指標(biāo)，以保證在負(fù)載或線路瞬態(tài)變化時(shí)正常工作。測(cè)量此參數(shù)的典型方法需要一個(gè)功率放大器提供階躍變化給轉(zhuǎn)換器的輸入端，同時(shí)在轉(zhuǎn)換器輸出端接一個(gè)電子負(fù)載來(lái)提供指定的負(fù)載，還需要一個(gè)示波器(以測(cè)量輸入條件和輸出偏差)。完整的設(shè)置如圖1所示。

圖1：線路瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量設(shè)置。

許多工程師新手采用的一種簡(jiǎn)單方法，是使用一根同軸電纜將功率放大器連接到目標(biāo)主板的輸入電容上。功率放大器往往無(wú)法承受這樣的電容負(fù)載，在大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換器的輸入端會(huì)變成振蕩器，有時(shí)甚至?xí)p壞輸入電容器或轉(zhuǎn)換器本身。因此通常采用的解決方案是將同軸電纜改為短接線和串聯(lián)電阻，將放大器與電容性負(fù)載隔離。這可以使其穩(wěn)定，但是隔離電阻會(huì)影響振幅的準(zhǔn)確性，而且與穩(wěn)壓器的輸入電容一同使用會(huì)產(chǎn)生低通濾波器，從而降低帶寬。

可能有人會(huì)問：為什么不能完全去除電容器，只使用功率放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)被測(cè)器件(DUT)?答案是這種方法會(huì)造成開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定。另外，如果數(shù)字內(nèi)核也是由同一個(gè)電源供電，可能會(huì)導(dǎo)致頻繁的數(shù)字內(nèi)核復(fù)位，產(chǎn)生不穩(wěn)定性。一種折衷的辦法是將輸入電容的值降到足夠低，讓我們既能夠驅(qū)動(dòng)它，又能保持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。然而，這種解決方案需要額外的實(shí)驗(yàn)，并導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)的硬件配置與最初的設(shè)計(jì)不同，從應(yīng)用或設(shè)計(jì)角度來(lái)看這是不可取的。

如果要設(shè)計(jì)一款能夠驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載的電路，該怎么開始?首先需要高帶寬放大器加補(bǔ)償方案來(lái)解決負(fù)載電容引起的相位損失問題。在利用飛線(fly wire)和原型PCB進(jìn)行了幾次實(shí)驗(yàn)后，LineEdge誕生了，經(jīng)過一系列改進(jìn)，又產(chǎn)生了LineEdge2。

圖2：LineEdge2原理圖。

從原理圖中可以看出，LineEdge2由電流反饋放大器(CFA)U1(LT1210)、基本的偏置網(wǎng)絡(luò)和BJT輸出級(jí)(Q1和Q2)組成。LT1210是一個(gè)有趣的放大器，它具有大電流輸出(> 1A)和高帶寬(35MHz)，其默認(rèn)設(shè)計(jì)就是驅(qū)動(dòng) “高”電容性負(fù)載(最高達(dá)10nF)。為了有效利用該放大器的大電流，其輸出直接連接到NPN雙極晶體管Q1的基極。由于LineEdge2始終以正輸出電壓運(yùn)行，因此這種安排是合理的。輸出級(jí)采用互補(bǔ)的高開關(guān)速度功率晶體管，其hFE約為50，可提供充分的電流放大。由于大部分電流實(shí)際上流經(jīng)該元件，該NPN晶體管采取了額外的冷卻措施。PNP通過兩個(gè)二極管壓降偏置，以約10mA的集電極電流實(shí)現(xiàn)晶體管傳輸，使輸出工作在AB類。該偏置確實(shí)非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谳p輸出負(fù)載的情況下只需要該P(yáng)NP稍微打開。

負(fù)載較高時(shí)，輸出級(jí)進(jìn)入A類，PNP幾乎不會(huì)打開。為了改善需要快速上下沿時(shí)的PNP驅(qū)動(dòng)，將一個(gè)自舉電容器與偏置二極管并聯(lián)，這可以在瞬態(tài)響應(yīng)的下降沿短暫地提供能量到基極。如果該器件在低功耗場(chǎng)景中使用，則由一個(gè)短路鏈路反轉(zhuǎn)為B類輸出。輸出采用AB類的主要原因是為了避免交叉失真，不然會(huì)產(chǎn)生額外的高頻噪聲。兩個(gè)晶體管的集電極被重度去耦，以便在需要時(shí)提供本地電源。

請(qǐng)注意，原理圖中沒有發(fā)射極電阻。發(fā)射極電阻有助于減輕PNP的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也會(huì)增加放大器驅(qū)動(dòng)器擺幅要求，并因額外的壓降而增加電源電壓要求。所以為了保證輸出級(jí)不出現(xiàn)熱失控，電路里設(shè)定了合適的偏置電阻值，并且保證二極管與PNP熱耦合。與SD(關(guān)閉)引腳串聯(lián)的100kΩ電阻用來(lái)降低功耗，CFA的總帶寬也因此略有降低。電容性負(fù)載的補(bǔ)償非常簡(jiǎn)單。CC與RC并聯(lián)來(lái)設(shè)定CFA的帶寬。R5是環(huán)路測(cè)試用的注入電阻器，它與J9一起方便穩(wěn)定性測(cè)量。輸入信號(hào)直接連接到正向的高阻抗輸入端， 50Ω端接阻抗可選。

這里沒有采用連接到CFA補(bǔ)償引腳的C5，因?yàn)樵谶@個(gè)應(yīng)用里它對(duì)提升性能沒有幫助。

穩(wěn)定性

由LineEdge2驅(qū)動(dòng)的典型電容性負(fù)載范圍為10μF至100μF，根據(jù)電容的類型和容量的差異，可能需要微調(diào)相位裕度。圖3顯示了兩種極端的電容性負(fù)載情況。電容性負(fù)載引起的增益損失是顯而易見的，看起來(lái)電容的阻抗特性會(huì)影響預(yù)期的一階增益下降。較高的電容值具有較低的諧振頻率，迫使第一次交叉更早出現(xiàn)。而容值較低的電容具有較高的品質(zhì)因數(shù)，在較高的頻率上交叉之后會(huì)出現(xiàn)更陡的低谷。相位在諧振頻率上開始恢復(fù)，并快速跳轉(zhuǎn)到放大器中設(shè)計(jì)的高值。很明顯，我們有兩個(gè)交叉點(diǎn)和兩個(gè)相位裕度。在這種情況下，需要考慮所有交叉點(diǎn)，穩(wěn)定性受制于“最薄弱環(huán)節(jié)”或最小的相位裕度。在本例中，最薄弱的環(huán)節(jié)始終是由負(fù)載電容器決定的第一個(gè)交叉點(diǎn)。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，我們有兩個(gè)選擇：要么以某種方式提高增益，以避免第一個(gè)交叉點(diǎn)，要么提前提升相位(以較低頻率)，確保在第一個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)仍然有一些相位。為了增加增益，只需降低RC值，或者為了提升相位，只需增加CC。圖3顯示了固定值RC = 560Ω和兩個(gè)CC值的兩種情況。很明顯，820pF的情況在兩種電容性負(fù)載情況下都能提供更好的相位裕度。

圖4顯示了低容性負(fù)載下不同負(fù)載點(diǎn)的情況。當(dāng)增益增加時(shí)，相位變化非常小。增益增加導(dǎo)致更高的交叉頻率，并且由于相位在交叉之后迅速上升，相位裕度也相應(yīng)上升。顯然，隨著負(fù)載的增加，相位也在提升，同時(shí)增益和帶寬也增加了。結(jié)果是，隨著負(fù)載的增加，獲得了更快的速度和更高的穩(wěn)定性。從曲線圖可以看出，當(dāng)負(fù)載相差400mA時(shí)，相位裕度變化達(dá)10°。

圖3：具有10μF和100μF電容性負(fù)載的相位裕度圖。

圖4：不同負(fù)載點(diǎn)下的相位裕度圖。

自動(dòng)化

LineEdge2是一個(gè)簡(jiǎn)單的器件，它不包含任何額外的保護(hù)或限流電路，可以獨(dú)立使用，也可以作為具有許多獨(dú)立電源輸出的更大自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分使用。

由于線路瞬態(tài)響應(yīng)是在滿載時(shí)測(cè)量的，因此散熱可能會(huì)是一個(gè)問題。為了解決這個(gè)問題，負(fù)載瞬態(tài)脈沖與輸入脈沖同步施加，并確保輸出電壓具有適當(dāng)?shù)那爸煤秃笾梅€(wěn)定時(shí)間。這樣一來(lái)，轉(zhuǎn)換器的負(fù)載就不是恒定的，而是脈沖的，具有很小的占空比，減少了LineEdge和DUT的損耗。圖5顯示了脈沖排列，藍(lán)色曲線是使用LineEdge2驅(qū)動(dòng)的輸入瞬態(tài)，黃色曲線是負(fù)載瞬態(tài)脈沖。輸入瞬態(tài)脈沖處于負(fù)載瞬態(tài)脈沖的中間，具有足夠的時(shí)間余量來(lái)穩(wěn)定輸出電壓，即紅色曲線。為了實(shí)現(xiàn)這種脈沖排列，標(biāo)準(zhǔn)工作臺(tái)用的函數(shù)發(fā)生器可能不夠，因?yàn)閮蓚€(gè)脈沖的相位同步必須被控制，脈沖寬度和斜率也必須被控制。通過減少脈沖排列的重復(fù)頻率，可以降低總功率損耗，因此不再需要散熱器，使解決方案保持小巧且易于集成。從圖5可以看出，穩(wěn)壓器的線路瞬態(tài)響應(yīng)非常小(與線路瞬態(tài)脈沖同步的紅色波形)，約為1mV，所以應(yīng)特別保護(hù)測(cè)量信號(hào)免受其它噪聲源的干擾。

圖5：線路瞬態(tài)響應(yīng)自動(dòng)化。

硬件

所實(shí)現(xiàn)的LineEdge2是一個(gè)小型模塊，可以直接插入到目標(biāo)評(píng)估板中。如圖6所示，它使用高速大電流Samtec HSEC8連接器連接到目標(biāo)系統(tǒng)，該連接器可以在輸入電容附近進(jìn)行匹配，以允許LineEdge2板從頂部插入。該板需要連接到盡可能靠近輸入電容的位置，這非常重要，原因有幾個(gè)：首先，對(duì)于大電流靜態(tài)負(fù)載，連接電阻會(huì)產(chǎn)生壓降，由于主放大器的反饋接在板端，輸入端可能會(huì)看到一些壓降;其次，連接中的阻抗會(huì)限制對(duì)電容器進(jìn)行充電的速度和能力，導(dǎo)致較差的信號(hào)保真度。因此，我們?cè)谥谱髦靼鍟r(shí)通常把連接器放在需要的位置。

圖6：使用改裝的HSEC8連接器完成設(shè)置。

結(jié)論

應(yīng)用工程師經(jīng)常需要在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的測(cè)量并提供結(jié)果。擁有正確的工具，了解并知道如何使用它，會(huì)帶來(lái)不可或缺的優(yōu)勢(shì)，大大降低任務(wù)的復(fù)雜性。