簡(jiǎn)化電源測(cè)試的SPST雙極性功率開(kāi)關(guān)

摘要:本應(yīng)用筆記介紹了一種獨(dú)立的隔離SPST (單刀/單擲)雙極性電源開(kāi)關(guān),用于產(chǎn)生200A、75V瞬變信號(hào)。該開(kāi)關(guān)能夠用來(lái)測(cè)試電源或電源IC,用于高速電路的測(cè)試,開(kāi)關(guān)的通、斷時(shí)間可以達(dá)到納秒級(jí)。


引言
處理必要的大電流和脈沖電壓。這樣的開(kāi)關(guān)必需能夠連接各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路,具體取決于被測(cè)電源的類(lèi)型及其應(yīng)用。

有些情況下,可以采用商業(yè)化的測(cè)試負(fù)載或開(kāi)發(fā)一套測(cè)試流程。如果開(kāi)關(guān)的一側(cè)連接在電源的公共端,測(cè)試過(guò)程將相對(duì)簡(jiǎn)單。否則,就必須設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器,使設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。一個(gè)足夠靈活、能夠支持電源瞬態(tài)故障測(cè)試的開(kāi)關(guān)將是一個(gè)非常有用的測(cè)試工具。綜上所述,可以歸納出對(duì)這種開(kāi)關(guān)的要求,包括最大額定電壓和額定電流,用來(lái)測(cè)試目前市場(chǎng)上多數(shù)中等功率的電源。

這種開(kāi)關(guān)應(yīng)該能夠處理100A的電流,承受至少75V的開(kāi)路電壓。開(kāi)關(guān)需要在兩個(gè)方向滿(mǎn)足電流、電壓的要求,因?yàn)橐恍y(cè)試會(huì)產(chǎn)生電流振鈴,有些電源電路需要雙極性輸出。開(kāi)關(guān)的通、斷速度應(yīng)該保持在幾十納秒以?xún)?nèi),以便觀察電路的瞬態(tài)響應(yīng)。開(kāi)關(guān)的串聯(lián)電阻必須足夠低,串聯(lián)電感也必須非常低,這意味著需要采用緊湊的物理結(jié)構(gòu)和非常短的電流路徑。此外,還要求開(kāi)關(guān)提供電氣隔離,具有非常低的輸出對(duì)地電容?傊,對(duì)于開(kāi)關(guān)的基本要求是當(dāng)開(kāi)關(guān)連接到電路時(shí)不會(huì)電路的性能和響應(yīng)。


電路說(shuō)明
圖1所示開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足上述多項(xiàng)指標(biāo)的要求,它通過(guò)一個(gè)數(shù)字隔離耦合器實(shí)現(xiàn),該耦合器的端到端電容小于1pf?倐鬏斞訒r(shí)為80ns,輸出上升時(shí)間接近40ns。輸出級(jí)由兩個(gè)低RDSON的MOSFET構(gòu)成,能夠處理雙極性200A、75V的電源瞬變。

開(kāi)關(guān)元件(兩個(gè)反向連接的輸出MOSFET)具有7mΩ導(dǎo)通電阻和25nH導(dǎo)通電感。導(dǎo)通狀態(tài)下,對(duì)于雙向電流(包括零點(diǎn))表現(xiàn)為線性電阻,類(lèi)似于導(dǎo)線連接,不會(huì)引入諧波失真。


圖1. 該電路利用5V邏輯信號(hào)控制獨(dú)立的(隔離)功率開(kāi)關(guān)Q1–Q2,能夠處理200A、75V的脈沖信號(hào)。

對(duì)于吸收電流大于50A的小阻值負(fù)載,開(kāi)關(guān)上升時(shí)間(定義為瞬間導(dǎo)通)由導(dǎo)通電感決定。電流較低時(shí),上升時(shí)間小于40ns,下降時(shí)間(瞬間關(guān)斷)主要由負(fù)載阻抗決定。

電路隔離側(cè)(開(kāi)關(guān))的電源由一組3節(jié)3V鋰離子原電池串聯(lián)而成(CR2025鋰錳電池)。對(duì)于幾kHz的開(kāi)關(guān)頻率,標(biāo)稱(chēng)值為170mAh的這種電池能夠連續(xù)使用一個(gè)多月。對(duì)于常見(jiàn)的測(cè)試平臺(tái),電池的使用壽命大概為3個(gè)月(左側(cè)始終連接)。

輸入為0V至5V的數(shù)字信號(hào),只要求上升沿和下降沿時(shí)間小于20ns,最小脈寬為50ns (通或斷)。傳導(dǎo)電流小于18A時(shí),開(kāi)關(guān)處于不確定的通或斷狀態(tài)。

圖1中,IC1和IC2構(gòu)成邊沿檢測(cè)電路,在T1原邊的一端施加窄脈沖,極性取決于輸入沿,另一側(cè)保持低電平。T1副邊連接了一個(gè)同相邏輯緩沖器(輸入到輸出),由IC3雙通道低邊功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器中的一個(gè)通道構(gòu)成。這個(gè)緩沖器如同一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)電路(即觸發(fā)器),當(dāng)T1原邊作用正脈沖時(shí)置位,作用負(fù)脈沖時(shí)復(fù)位。雙穩(wěn)態(tài)電路輸出相當(dāng)于電路輸入(作用在邊沿檢測(cè)電路的數(shù)字輸入)的拷貝。

IC3的另一半和IC4的兩路驅(qū)動(dòng)器并聯(lián),其輸入連接至雙穩(wěn)態(tài)輸出,利用并聯(lián)輸出驅(qū)動(dòng)兩個(gè)反向連接的低RDSON MOSFET (IRFB3077)的柵極,兩個(gè)MOSFET的漏極接外部電源,兩個(gè)柵極和兩個(gè)源極分別接在一起。三個(gè)驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)后可有效提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度,因?yàn)镮C2–IC3均分電流,每個(gè)驅(qū)動(dòng)器可提供4A的峰值電流,并聯(lián)后總電流可以達(dá)到12A,MOSFET源極接電池負(fù)極。

MAX5048的輸入邏輯簡(jiǎn)化了邊沿檢測(cè)電路的設(shè)計(jì),MAX5054的低靜態(tài)電流有助于延長(zhǎng)電池的使用壽命。因此,本設(shè)計(jì)中使用了類(lèi)似但不相同的IC,分別用于低邊(控制和隔離,IC1、IC2)和高邊(功率驅(qū)動(dòng),IC3、IC4)驅(qū)動(dòng)。

圖2給出了電源開(kāi)關(guān)的等效電路,包括主要的寄生元件。對(duì)于整個(gè)供電電路,開(kāi)關(guān)能夠承受的連續(xù)功率取決于散熱器。散熱器會(huì)顯著增大寄生輸出電容,本設(shè)計(jì)中沒(méi)有包括散熱器。處理200A脈沖電流時(shí)需要一些補(bǔ)充條件,必須將脈沖寬度限制在8ms以?xún)?nèi),開(kāi)關(guān)占空比限制在0.5%以?xún)?nèi)。對(duì)于80A的瞬態(tài)信號(hào),脈沖時(shí)間不受限制,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(達(dá)到50ms),但占空比不得超過(guò)3%。


圖2. 該功率開(kāi)關(guān)電路是圖1電路的等效架構(gòu),包含了主要寄生元件。

室溫下切換一個(gè)未經(jīng)箝位的電感時(shí),電路能夠吸收的能量是280mJ (單個(gè)脈沖,不重復(fù)出現(xiàn))或200mJ (最大占空比為1%的脈沖)。

耦合變壓器設(shè)計(jì)要求小尺寸、低繞線電容:原邊一匝、副邊兩匝,繞制在Fair-Rite 7.5 x 7.5m的鐵氧體磁珠。變壓器結(jié)構(gòu)決定了開(kāi)關(guān)負(fù)載和開(kāi)關(guān)控制電路兩側(cè)的最大壓差。使用普通的漆包線絕緣架構(gòu)時(shí),可以提供1kV隔離,如果使用聚四氟乙烯或質(zhì)量更好的絕緣材料,則可提供1kV以上的隔離。對(duì)于要求更高隔離電壓的設(shè)計(jì),還需考慮封裝。

T1的鐵氧體磁芯為導(dǎo)體,不能在同一時(shí)刻連接到開(kāi)關(guān)兩側(cè),開(kāi)關(guān)內(nèi)部沒(méi)有閉鎖保護(hù),操作之前必須檢驗(yàn)鋰電池的狀態(tài)。上電后沒(méi)有電路能夠保證開(kāi)關(guān)處于確定的狀態(tài)(通或斷)。因此,在接通其它電源之前必須先打開(kāi)開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)狀態(tài)由最先作用到輸入端的瞬態(tài)決定,在給其它部分供電時(shí)至少使開(kāi)關(guān)通、斷一次。


測(cè)試電路
圖3–圖5中頂部波形為數(shù)字輸入,底部波形是通過(guò)一個(gè)0.25Ω電阻負(fù)載觀察到的5µs脈沖波形,負(fù)載通過(guò)開(kāi)關(guān)接50V電源。因?yàn)殡妷翰ㄐ巫饔迷谝粋(gè)低電感薄膜電阻,可近似表示開(kāi)關(guān)的電流波形。圖3所示近似200A的脈沖波形給出了過(guò)沖和上升時(shí)間(60ns至80ns),上升時(shí)間受高邊電流通道寄生電感、電容的影響。圖4給出了該脈沖的上升時(shí)間和導(dǎo)通延時(shí);圖5給出了下降時(shí)間和斷開(kāi)時(shí)的傳輸延時(shí)。圖6–圖8給出了同樣的波形,負(fù)載為5Ω,10A脈沖,電源電壓為50V。上升時(shí)延接近于MOSFET固有的30ns至40ns的上升時(shí)延,受封裝和源阻抗的限制。


圖3. 圖1測(cè)試結(jié)果,(1) 控制信號(hào),(2) 在0.25Ω電阻兩端測(cè)試的5µs脈沖,電源電壓為50V。


圖4. 基于圖2的上升時(shí)間和導(dǎo)通傳輸延時(shí),掃描速率為40ns/cm。


圖5. 基于圖2的下降時(shí)間和關(guān)斷傳輸延時(shí),掃描速率為40ns/cm。


圖6. 圖1測(cè)試結(jié)果,(1) 控制信號(hào),(2) 在5Ω電阻兩端測(cè)試的5µs脈沖,電源電壓為50V。


圖7. 基于圖6的上升時(shí)間和導(dǎo)通傳輸延時(shí),掃描速率為40ns/cm。


圖8. 基于圖6的下降時(shí)間和關(guān)斷傳輸延時(shí),掃描速率為40ns/cm。

 


【上一個(gè)】 利用模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)T1/E1/J1的N+1冗余 【下一個(gè)】 什么是諧振式開(kāi)關(guān)電源


 ^ 簡(jiǎn)化電源測(cè)試的SPST雙極性功率開(kāi)關(guān)