單刀/單擲雙極電源開關(guān)簡化電源測試

本應(yīng)用筆記介紹了如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)非承諾、隔離式SPST（單刀/單擲）雙極性電源開關(guān)，該開關(guān)可用于產(chǎn)生高達(dá)200A和75V的瞬變。該開關(guān)可用于測試電源和電源 IC。該開關(guān)專為測試快速電路而設(shè)計(jì)，可在數(shù)十納秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。

本應(yīng)用筆記介紹了如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)非承諾、隔離式SPST（單刀/單擲）雙極性電源開關(guān)，該開關(guān)可用于產(chǎn)生高達(dá)200A和75V的瞬變。該開關(guān)可用于測試電源和電源 IC。該開關(guān)專為測試快速電路而設(shè)計(jì)，可在數(shù)十納秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。
介紹
在測試一般電源電路，特別是電源IC時(shí)，一個(gè)常見問題是需要能夠產(chǎn)生瞬變并處理所需的大電流和電壓脈沖的開關(guān)。這種開關(guān)必須能夠連接到各種電路拓?fù)?，具體取決于被測電源的類型及其應(yīng)用。
在某些情況下，可以使用商業(yè)測試負(fù)載;否則，有必要開發(fā)一種獨(dú)一無二的測試設(shè)置。如果開關(guān)的一側(cè)連接到電源公共電源，而電源恰好也是系統(tǒng)公共電源，則設(shè)置設(shè)計(jì)很簡單。如果沒有，則需要設(shè)計(jì)自定義開關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，這可能非常復(fù)雜。一個(gè)足夠通用的開關(guān)可以執(zhí)行大多數(shù)電源瞬態(tài)故障測試將非常有用。這種開關(guān)的規(guī)格概述應(yīng)包括最大電壓和電流額定值，以及目前市場上大多數(shù)中檔電源的測試需求。
開關(guān)應(yīng)具有超過100A的電流能力，并能夠承受至少75V的開路電壓。它必須是雙極性的，用于載流和保持電壓，因?yàn)橐恍y試會(huì)產(chǎn)生振鈴電流，而一些電源電路會(huì)產(chǎn)生雙極性輸出。導(dǎo)通和關(guān)斷速度應(yīng)在幾十納秒內(nèi)，以便觀察快速電路的響應(yīng)。開關(guān)的串聯(lián)電阻必須低。串聯(lián)電感也必須非常低，這意味著物理尺寸小且電流路徑較短。最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，開關(guān)必須電氣隔離，并且具有非常低的輸出對(duì)地電容——如果要將開關(guān)插入電路而不扭曲其性能或響應(yīng)，這是一個(gè)基本屬性。
電路說明
圖 1 顯示了滿足上述愿望列表中的大多數(shù)項(xiàng)目的開關(guān)。它采用側(cè)對(duì)側(cè)電容小于1pF的數(shù)字隔離器耦合器實(shí)現(xiàn)。它的總傳播延遲為 80ns，輸出上升時(shí)間約為 40ns。輸出級(jí)由兩個(gè)低R組成德森MOSFET 能夠處理任一極性的 75V、200A 瞬變。
開關(guān)元件（兩個(gè)輸出MOSFET采用反串聯(lián)連接）具有7mΩ串聯(lián)電阻和25nH串聯(lián)電感。在ON狀態(tài)下，它充當(dāng)兩個(gè)極性電流（包括零交越）的線性電阻器，因此不會(huì)引入諧波失真，充當(dāng)金屬觸點(diǎn)。

圖1.該電路使能5V邏輯信號(hào)來控制一個(gè)非專用（隔離）電源開關(guān)（Q1–Q2），該開關(guān)能夠在200V時(shí)處理75A脈沖。

對(duì)于吸收大于50A電流的低電阻負(fù)載，開關(guān)上升時(shí)間（定義為ON瞬態(tài)）主要由串聯(lián)電感決定。對(duì)于較低電流范圍，上升時(shí)間低于40ns，下降時(shí)間（關(guān)斷瞬態(tài)）主要與負(fù)載阻抗有關(guān)。
電路隔離（開關(guān)）側(cè)的電源是一組三個(gè)串聯(lián)的3V鋰硬幣原電池（CR2025二氧化錳鋰電池）。對(duì)于幾千赫茲的開關(guān)速率，這種電池類型標(biāo)稱可用的 170mAh 應(yīng)該支持連續(xù)使用一個(gè)多月。對(duì)于正常的測試臺(tái)應(yīng)用，如果保持永久連接，電池壽命應(yīng)在三個(gè)月左右。
輸入為0V至5V數(shù)字信號(hào)，其唯一要求是上升和下降時(shí)間小于20ns，最小脈沖寬度（ON或OFF）為50ns。當(dāng)導(dǎo)通電流小于18A時(shí)，開關(guān)可以無限期地保持ON或OFF狀態(tài)。
在圖1中，IC1和IC2形成一個(gè)邊緣檢測器，根據(jù)輸入邊沿的符號(hào)，向T1初級(jí)的任一側(cè)施加窄正脈沖。另一邊仍然很低。因此，T1脈沖極性取決于施加到電路的輸入信號(hào)邊沿的極性。T1的次級(jí)連接在同相邏輯緩沖器（輸入到輸出）上，該緩沖器由雙通道低邊功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器（IC3）的一半組成。該緩沖器表現(xiàn)為雙穩(wěn)態(tài)電路（觸發(fā)器），該電路響應(yīng)T1初級(jí)端的正脈沖而設(shè)置，并響應(yīng)負(fù)脈沖復(fù)位。然后，雙穩(wěn)態(tài)電路輸出是電路輸入（施加到邊緣檢測器的數(shù)字輸入信號(hào)）的副本。
IC3的另一半和IC4的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器都并聯(lián)連接。它們的輸入連接到雙穩(wěn)態(tài)輸出，它們的輸出并聯(lián)連接，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)低R的柵極德森功率場效應(yīng)管 （IRFB3077）。兩個(gè) MOSFET 以反串聯(lián)方式連接，漏極連接到外部開關(guān)電源連接，兩個(gè)柵極連接在一起，兩個(gè)電源連接在一起。三個(gè)驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)提高了功率MOSFET的開關(guān)速度，因?yàn)镮C2-IC3的每一部分都可以提供4A的峰值柵極電流，三者合計(jì)為12A。MOSFET 源極連接到電池的負(fù)極。
MAX5048的輸入邏輯允許輕松實(shí)現(xiàn)邊緣檢測器，MAX5054 s（用作功率晶體管驅(qū)動(dòng)器）的較低靜態(tài)功耗延長了電池壽命。因此，在低端（控制和隔離，IC1和IC2）和高端（電源驅(qū)動(dòng)器，IC3和IC4）包括相似但不同的IC驅(qū)動(dòng)器。
圖2顯示了電源開關(guān)的等效電路，包括主要寄生元件。與所有電源電路一樣，開關(guān)的連續(xù)功率處理能力取決于提供的散熱器。但是，由于包含散熱器會(huì)大大增加寄生輸出電容，因此該設(shè)計(jì)不包括散熱器。作為處理200A脈沖時(shí)的補(bǔ)償，脈沖寬度必須限制為8ms，開關(guān)占空比必須限制為最大0.5%。對(duì)于80A瞬變，脈沖不受封裝限制，因此可以持續(xù)更長時(shí)間（長達(dá)50ms），但80A瞬變的占空比不應(yīng)超過3%。

圖2.這是一個(gè)電源開關(guān)電路，與圖1電路相當(dāng)，但包括主要的寄生元件。

在室溫下切換無鉗位電感時(shí)，圖1電路在單個(gè)非重復(fù)脈沖中的能量吸收能力為280mJ，或在最大占空比為200%的情況下為1mJ/脈沖。
耦合變壓器設(shè)計(jì)用于最小尺寸和繞組間電容：初級(jí)線圈一匝，次級(jí)兩匝，纏繞在 Fair-Rite 2643000801 7.5mm x 7.5mm 鐵氧體磁珠上。變壓器結(jié)構(gòu)還設(shè)置開關(guān)負(fù)載和開關(guān)控制電路之間的最大允許電壓差。當(dāng)使用普通電磁線絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，它可以輕松承受 1kV，如果電線用特氟龍或類似的高質(zhì)量、高介電剛性絕緣材料絕緣，則可承受超過 1kV。對(duì)于更高的電壓隔離，還應(yīng)審查封裝設(shè)計(jì)的所有其他方面。
T1的鐵氧體磁芯必須被認(rèn)為是導(dǎo)電的;因此，不得允許它同時(shí)接觸交換機(jī)的兩側(cè)。該開關(guān)沒有聯(lián)鎖保護(hù)，因此在使用之前必須驗(yàn)證鋰電池的狀況。未包括電路以保證通電時(shí)開關(guān)的狀態(tài)（ON或OFF）。因此，在打開設(shè)置的任何其他電源之前，必須打開交換機(jī)的電源。由于開關(guān)狀態(tài)是由施加在輸入端的第一個(gè)轉(zhuǎn)換強(qiáng)制的，因此在向設(shè)置的其余部分通電之前，開關(guān)應(yīng)至少循環(huán)打開和關(guān)閉一次。
測試結(jié)果
在圖3–5中，頂部波形是數(shù)字輸入，底部波形是在5.0Ω阻性負(fù)載上觀察到的25μs脈沖，通過開關(guān)連接到50V電源。由于波形是在短的極低電感薄膜電阻器上產(chǎn)生的電壓，因此它們非常接近開關(guān)電流波形。圖200的近似3A脈沖形狀在其過沖和上升時(shí)間（60ns至80ns）方面都受到高電流路徑中寄生電感和電容的影響。圖4顯示了該脈沖的上升時(shí)間和導(dǎo)通傳播延遲;圖5顯示了下降時(shí)間和關(guān)斷傳播延遲。圖6–8顯示了5Ω負(fù)載和10A脈沖的相同波形，采用相同的50V電源工作。由此產(chǎn)生的上升時(shí)間更接近MOSFET的30ns至40ns固有開關(guān)上升時(shí)間，受封裝和源極電感的限制。

圖3.從圖1中，響應(yīng)控制信號(hào)（5）的2μs脈沖（1）出現(xiàn)在由0.25Ω電阻與50V電源串聯(lián)的負(fù)載上。

圖4.圖3所示的上升時(shí)間和導(dǎo)通傳播延遲，以40ns/cm掃描速率查看。

圖5.圖3所示的下降時(shí)間和關(guān)斷傳播延遲，掃描速率為40ns/cm。

圖6.從圖1中，響應(yīng)控制信號(hào)（5）的2μs脈沖（1）出現(xiàn)在由5Ω電阻和50V電源串聯(lián)的負(fù)載上。

圖7.圖6所示的上升時(shí)間和導(dǎo)通傳播延遲，以40ns/cm掃描速率查看。

圖8.圖6所示的下降時(shí)間和關(guān)斷傳播延遲，掃描速率為40ns/cm。

總結(jié)
本應(yīng)用筆記說明了簡化電源測試的SPST雙極性電源開關(guān)的設(shè)計(jì)。該開關(guān)能夠承受開關(guān)瞬變期間產(chǎn)生的大電流和電壓脈沖，可用于測試市場上大多數(shù)中檔電源。它可以處理兩種極性的75V，200A瞬變;它在數(shù)十納秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了開啟和關(guān)閉時(shí)間;它具有低串聯(lián)電阻和非常低的串聯(lián)電感;它采用電氣隔離，輸出對(duì)地電容非常低。