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單刀/單擲雙極電源開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電源測(cè)試

發(fā)布時(shí)間:2023-05-13 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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(kāi)關(guān),該開(kāi)關(guān)可用于產(chǎn)生高達(dá)200A和75V的瞬變。該開(kāi)關(guān)可用于測(cè)試電源和電源 IC。該開(kāi)關(guān)專(zhuān)為測(cè)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(kāi)關(guān),該開(kāi)關(guān)可用于產(chǎn)生高達(dá)200A和75V的瞬變。該開(kāi)關(guān)可用于測(cè)試電源和電源 IC。該開(kāi)關(guān)專(zhuān)為測(cè)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(cè)試一般電源電路,特別是電源IC時(shí),一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)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(kāi)關(guān)。這種開(kāi)關(guān)必須能夠連接到各種電路拓?fù)洌唧w取決于被測(cè)電源的類(lèi)型及其應(yīng)用。

在某些情況下,可以使用商業(yè)測(cè)試負(fù)載;否則,有必要開(kāi)發(fā)一種獨(dú)一無(wú)二的測(cè)試設(shè)置。如果開(kāi)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(jiǎn)單。如果沒(méi)有,則需要設(shè)計(jì)自定義開(kāi)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(kāi)關(guān)可以執(zhí)行大多數(shù)電源瞬態(tài)故障測(cè)試將非常有用。這種開(kāi)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(chǎng)上大多數(shù)中檔電源的測(cè)試需求。

開(kāi)關(guān)應(yīng)具有超過(guò)100A的電流能力,并能夠承受至少75V的開(kāi)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(cè)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shuō)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(kāi)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(kāi)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)。


單刀/單擲雙極電源開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電源測(cè)試
圖1.該電路使能5V邏輯信號(hào)來(lái)控制一個(gè)非專(zhuān)用(隔離)電源開(kāi)關(guān)(Q1–Q2),該開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)速率,這種電池類(lèi)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(cè)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(kāi)關(guān)可以無(wú)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(kāi)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(kāi)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(cè)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(zhǎng)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)時(shí)間(長(zhǎng)達(dá)50ms),但80A瞬變的占空比不應(yīng)超過(guò)3%。


單刀/單擲雙極電源開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電源測(cè)試
圖2.這是一個(gè)電源開(kāi)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(wú)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(kāi)關(guān)負(fù)載和開(kāi)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(lèi)似的高質(zhì)量、高介電剛性絕緣材料絕緣,則可承受超過(guò) 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(kāi)關(guān)沒(méi)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(kāi)關(guān)的狀態(tài)(ON或OFF)。因此,在打開(kāi)設(shè)置的任何其他電源之前,必須打開(kāi)交換機(jī)的電源。由于開(kāi)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(kāi)關(guān)應(yīng)至少循環(huán)打開(kāi)和關(guān)閉一次。

測(cè)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(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)電流波形。圖200的近似3A脈沖形狀在其過(guò)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(kāi)關(guān)上升時(shí)間,受封裝和源極電感的限制。


單刀/單擲雙極電源開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電源測(cè)試
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。



單刀/單擲雙極電源開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電源測(cè)試
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。



單刀/單擲雙極電源開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電源測(cè)試
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。



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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。



單刀/單擲雙極電源開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化電源測(cè)試
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。



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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(shuō)明了簡(jiǎn)化電源測(cè)試的SPST雙極性電源開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。該開(kāi)關(guān)能夠承受開(kāi)關(guān)瞬變期間產(chǎn)生的大電流和電壓脈沖,可用于測(cè)試市場(chǎng)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(kāi)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。


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