电源设计中负载瞬态测试的一些细节及方法

电源设计中负载瞬态测试的一些细节及方法

微处理器和专用集成电路（ASIC）需要低电压、大电流电源。这些电源通常对输出电压偏差有非常严格的要求，尤其是对负载瞬态事件。对设计人员而言，测试这些电源可能会面临许多挑战，并且难以确认是否符合特定规格。
 
本文将解答负载瞬态测试的相关问题，并介绍可在苛刻条件下简化测试的一些方法。
 
为了正确设计电源，您首先需要了解所有的瞬态参数，以及它们如何应用于测试。常见的瞬态参数包括：
 
• 负载阶跃的大小（以安培为单位或以满载的百分比表示）
• 瞬态事件中的最小负载（有时为零）
• 负载阶跃的转换速率（通常以安培每微秒为单位）
• 阶跃两极允许的最大电压偏差
• 预计恢复时间

图1举例说明了这些规格通常是如何被定义的。

图1：负载瞬态测量的图形描述。

了解所有参数之后，便可尝试设计满足要求的电源了。然而，按上述要求测试成为一大挑战。输出电压为1V，负载阶跃为100A，转换速率为1000A/μs的要求并不常见。在大多数测试情况下，限制因素是被测电源和负载之间的电感。在实际系统中，电源往往正好靠近其供电的负载，从而使寄生电感最小化。
 
您可以使用多种方法来测试选定电源的负载瞬态响应，但是每种方法各有利弊。这里我将比较以下选项：外部电子负载、外部瞬态板、场效应晶体管（FET）Slammer、板载瞬态发生器和基于插座的瞬态测试仪。
 
外部电子负载可能是测试瞬态响应最常用和最便捷的方法。大多数负载具有使您能够轻松设置电流等级和转换时间的模式。由于外部接线或实际负载限制，其主要缺点是转换速率有所限制。
 
外部瞬态板通常可以在转换速率方面获得更好的结果，但这会降低一定的灵活性。根据设计的不同，负载瞬态板可能受限于最大电流、散热或转换速率。由于瞬态板属于外部连接，接线通常是转换速率限制的瓶颈。此外，还需要为每个测试电源调整或配置电路板。
 
FET slammer是获得高速瞬态结果的一种快速且简单的方法。通过电阻器或直接穿过电源的输出端将金属氧化物半导体场效应晶体管从漏极连接到源极，函数发生器控制栅极。由于外部接线很少，所以寄生电感大幅降低。
 
虽然这种方法通常可以产生高转换速率，但控制和重复测试可能有难度。也许需要修改PCB（图2）。该方法的另一个问题是难以测量实际负载阶跃电流，并且测出的数据可能不准确。

图2：具有FET slammer的PCB示例。

测试大电流高速瞬态性能时，板载瞬态发生器将非常实用，可以为特定的负载瞬态规格设计电路。主要缺点是组件会额外产生成本和占用空间。此外，采取多种不同测量可能难以兼具灵活性或比较耗时。
 
板载瞬态发生器的设计也非常复杂。它可以像由555定时器控制的电阻和FET一样简单，也可以像图3所示的设计那样复杂。更复杂的设计是使用多级和更小、更快的开关FET，这种设计可以实现1000A/μs的转换速率。

图3：复杂版本的板载瞬态发生器。

最后一个选项是使用处理器插座和专门的瞬态测试仪。这个选项是最昂贵的方法，因为工具本身很昂贵，而PCB的价格也日益上涨，但是可以为一组给定的处理器要求得出最准确的结果。处理器或ASIC制造商经常开发这类工具，因此这些工具专门用于提供正确的测试条件。
 
表1总结了几种瞬态测试方法。

表1：不同瞬态测试方法的比较。

负载瞬态测试是电源设计和合规中非常重要的一环。测试夹具中的寄生电感可能对实现所需转换速率的能力有负面影响。使用上述方法，能帮助避免这个问题。