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          簡化電源測試的SPST雙極性功率開關

          摘要:本應用筆記介紹了一種獨立的隔離SPST (單刀/單擲)雙極性電源開關,用于產生200A、75V瞬變信號。該開關能夠用來測試電源或電源IC,用于高速電路的測試,開關的通、斷時間可以達到納秒級。


          引言
          處理必要的大電流和脈沖電壓。這樣的開關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型及其應用。

          有些情況下,可以采用商業化的測試負載或開發一套測試流程。如果開關的一側連接在電源的公共端,測試過程將相對簡單。否則,就必須設計開關驅動器,使設計變得復雜。一個足夠靈活、能夠支持電源瞬態故障測試的開關將是一個非常有用的測試工具。綜上所述,可以歸納出對這種開關的要求,包括最大額定電壓和額定電流,用來測試目前市場上多數中等功率的電源。

          這種開關應該能夠處理100A的電流,承受至少75V的開路電壓。開關需要在兩個方向滿足電流、電壓的要求,因為一些測試會產生電流振鈴,有些電源電路需要雙極性輸出。開關的通、斷速度應該保持在幾十納秒以內,以便觀察電路的瞬態響應。開關的串聯電阻必須足夠低,串聯電感也必須非常低,這意味著需要采用緊湊的物理結構和非常短的電流路徑。此外,還要求開關提供電氣隔離,具有非常低的輸出對地電容?傊,對于開關的基本要求是當開關連接到電路時不會電路的性能和響應。


          電路說明
          圖1所示開關設計滿足上述多項指標的要求,它通過一個數字隔離耦合器實現,該耦合器的端到端電容小于1pf?倐鬏斞訒r為80ns,輸出上升時間接近40ns。輸出級由兩個低RDSON的MOSFET構成,能夠處理雙極性200A、75V的電源瞬變。

          開關元件(兩個反向連接的輸出MOSFET)具有7mΩ導通電阻和25nH導通電感。導通狀態下,對于雙向電流(包括零點)表現為線性電阻,類似于導線連接,不會引入諧波失真。


          圖1. 該電路利用5V邏輯信號控制獨立的(隔離)功率開關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,開關上升時間(定義為瞬間導通)由導通電感決定。電流較低時,上升時間小于40ns,下降時間(瞬間關斷)主要由負載阻抗決定。

          電路隔離側(開關)的電源由一組3節3V鋰離子原電池串聯而成(CR2025鋰錳電池)。對于幾kHz的開關頻率,標稱值為170mAh的這種電池能夠連續使用一個多月。對于常見的測試平臺,電池的使用壽命大概為3個月(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間小于20ns,最小脈寬為50ns (通或斷)。傳導電流小于18A時,開關處于不確定的通或斷狀態。

          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副邊連接了一個同相邏輯緩沖器(輸入到輸出),由IC3雙通道低邊功率MOSFET驅動器中的一個通道構成。這個緩沖器如同一個雙穩態電路(即觸發器),當T1原邊作用正脈沖時置位,作用負脈沖時復位。雙穩態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的兩路驅動器并聯,其輸入連接至雙穩態輸出,利用并聯輸出驅動兩個反向連接的低RDSON MOSFET (IRFB3077)的柵極,兩個MOSFET的漏極接外部電源,兩個柵極和兩個源極分別接在一起。三個驅動器并聯后可有效提高功率MOSFET的開關速度,因為IC2–IC3均分電流,每個驅動器可提供4A的峰值電流,并聯后總電流可以達到12A,MOSFET源極接電池負極。

          MAX5048的輸入邏輯簡化了邊沿檢測電路的設計,MAX5054的低靜態電流有助于延長電池的使用壽命。因此,本設計中使用了類似但不相同的IC,分別用于低邊(控制和隔離,IC1、IC2)和高邊(功率驅動,IC3、IC4)驅動。

          圖2給出了電源開關的等效電路,包括主要的寄生元件。對于整個供電電路,開關能夠承受的連續功率取決于散熱器。散熱器會顯著增大寄生輸出電容,本設計中沒有包括散熱器。處理200A脈沖電流時需要一些補充條件,必須將脈沖寬度限制在8ms以內,開關占空比限制在0.5%以內。對于80A的瞬態信號,脈沖時間不受限制,持續時間較長(達到50ms),但占空比不得超過3%。


          圖2. 該功率開關電路是圖1電路的等效架構,包含了主要寄生元件。

          室溫下切換一個未經箝位的電感時,電路能夠吸收的能量是280mJ (單個脈沖,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關負載和開關控制電路兩側的最大壓差。使用普通的漆包線絕緣架構時,可以提供1kV隔離,如果使用聚四氟乙烯或質量更好的絕緣材料,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,不能在同一時刻連接到開關兩側,開關內部沒有閉鎖保護,操作之前必須檢驗鋰電池的狀態。上電后沒有電路能夠保證開關處于確定的狀態(通或斷)。因此,在接通其它電源之前必須先打開開關電源。開關狀態由最先作用到輸入端的瞬態決定,在給其它部分供電時至少使開關通、斷一次。


          測試電路
          圖3–圖5中頂部波形為數字輸入,底部波形是通過一個0.25Ω電阻負載觀察到的5µs脈沖波形,負載通過開關接50V電源。因為電壓波形作用在一個低電感薄膜電阻,可近似表示開關的電流波形。圖3所示近似200A的脈沖波形給出了過沖和上升時間(60ns至80ns),上升時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間和導通延時;圖5給出了下降時間和斷開時的傳輸延時。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。上升時延接近于MOSFET固有的30ns至40ns的上升時延,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的上升時間和導通傳輸延時,掃描速率為40ns/cm。


          圖5. 基于圖2的下降時間和關斷傳輸延時,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的上升時間和導通傳輸延時,掃描速率為40ns/cm。


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

           


          【上一個】 利用模擬開關實現T1/E1/J1的N+1冗余 【下一個】 什么是諧振式開關電源


           ^ 簡化電源測試的SPST雙極性功率開關

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