簡(jiǎn)化電源測試的SPST雙極性功率開(kāi)關(guān)
摘要：本應用筆記介紹了一種獨立的隔離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。該開(kāi)關(guān)能夠用來(lái)測試電源或電源IC，用于高速電路的測試，開(kāi)關(guān)的通、斷時(shí)間可以達到納秒級。
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撲結構的電路，具體取決于被測電源的類(lèi)型及其應用。
有些情況下，可以采用商業(yè)化的測試負載或開(kāi)發(fā)一套測試流程。如果開(kāi)關(guān)的一側連接在電源的公共端，測試過(guò)程將相對簡(jiǎn)單。否則，就必須設計開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器，使設計變得復雜。一個(gè)足夠靈活、能夠支持電源瞬態(tài)故障測試的開(kāi)關(guān)將是一個(gè)非常有用的測試工具。綜上所述，可以歸納出對這種開(kāi)關(guān)的要求，包括最大額定電壓和額定電流，用來(lái)測試目前市場(chǎng)上多數中等功率的電源。
這種開(kāi)關(guān)應該能夠處理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，因為一些測試會(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、斷速度應該保持在幾十納秒以?xún)�，以便觀(guān)察電路的瞬態(tài)響應。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(zhù)需要采用緊湊的物理結構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地電容�？傊�，對于開(kāi)關(guān)的基本要求是當開(kāi)關(guān)連接到電路時(shí)不會(huì )電路的性能和響應。
電路說(shuō)明
圖1所示開(kāi)關(guān)設計滿(mǎn)足上述多項指標的要求，它通過(guò)一個(gè)數字隔離耦合器實(shí)現，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。輸出級由兩個(gè)低RDSON的MOSFET構成，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導通電阻和25nH導通電感。導通狀態(tài)下，對于雙向電流(包括零點(diǎn))表現為線(xiàn)性電阻，類(lèi)似于導線(xiàn)連接，不會(huì )引入諧波失真。
圖1. 該電路利用5V邏輯信號控制獨立的(隔離)功率開(kāi)關(guān)Q1–Q2，能夠處理200A、75V的脈沖信號。
對于吸收電流大于50A的小阻值負載，開(kāi)關(guān)上升時(shí)間(定義為瞬間導通)由導通電感決定。電流較低時(shí)，上升時(shí)間小于40ns，下降時(shí)間(瞬間關(guān)斷)主要由負載阻抗決定。
電路隔離側(開(kāi)關(guān))的電源由一組3節3V鋰離子原電池串聯(lián)而成(CR2025鋰錳電池)。對于幾kHz的開(kāi)關(guān)頻率，標稱(chēng)值為170mAh的這種電池能夠連續使用一個(gè)多月。對于常見(jiàn)的測試平臺，電池的使用壽命大概為3個(gè)月(左側始終連接)。
輸入為0V至5V的數字信號，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構成邊沿檢測電路，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驅動(dòng)器中的一個(gè)通道構成。這個(gè)緩沖器如同一個(gè)雙穩態(tài)電路(即觸發(fā)器)，當T1原邊作用正脈沖時(shí)置位，作用負脈沖時(shí)復位。雙穩態(tài)電路輸出相當于電路輸入(作用在邊沿檢測電路的數字輸入)的拷貝。
IC3的另一半和IC4的兩路驅動(dòng)器并聯(lián)，其輸入連接至雙穩態(tài)輸出，利用并聯(lián)輸出驅動(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)驅動(dòng)器并聯(lián)后可有效提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，因為IC2–IC3均分電流，每個(gè)驅動(dòng)器可提供4A的峰值電流，并聯(lián)后總電流可以達到12A，MOSFET源極接電池負極。
MAX5048的輸入邏輯簡(jiǎn)化了邊沿檢測電路的設計，MAX5054的低靜態(tài)電流有助于延長(cháng)電池的使用壽命。因此，本設計中使用了類(lèi)似但不相同的IC，分別用于低邊(控制和隔離，IC1、IC2)和高邊(功率驅動(dòng)，IC3、IC4)驅動(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。對于整個(gè)供電電路，開(kāi)關(guān)能夠承受的連續功率取決于散熱器。散熱器會(huì )顯著(zhù)增大寄生輸出電容，本設計中沒(méi)有包括散熱器。處理200A脈沖電流時(shí)需要一些補充條件，必須將脈沖寬度限制在8ms以?xún)�，開(kāi)關(guān)占空比限制在0.5%以?xún)�。對�?0A的瞬態(tài)信號，脈沖時(shí)間不受限制，持續時(shí)間較長(cháng)(達到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，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，不重復出現)或200mJ (最大占空比為1%的脈沖)。
耦合變壓器設計要求小尺寸、低繞線(xiàn)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。變壓器結構決定了開(kāi)關(guān)負載和開(kāi)關(guān)控制電路兩側的最大壓差。使用普通的漆包線(xiàn)絕緣架構時(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。對于要求更高隔離電壓的設計，還需考慮封裝。
T1的鐵氧體磁芯為導體，不能在同一時(shí)刻連接到開(kāi)關(guān)兩側，開(kāi)關(guān)內部沒(méi)有閉鎖保護，操作之前必須檢驗鋰電池的狀態(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。
測試電路
圖3–圖5中頂部波形為數字輸入，底部波形是通過(guò)一個(gè)0.25Ω電阻負載觀(guān)察到的5µs脈沖波形，負載通過(guò)開(kāi)關(guān)接50V電源。因為電壓波形作用在一個(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測試結果，(1) 控制信號，(2) 在0.25Ω電阻兩端測試的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測試結果，(1) 控制信號，(2) 在5Ω電阻兩端測試的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。
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