以高轉換速率進行負載瞬態測試
作者 : Robert Taylor/德州儀器(TI)
微處理器和特定應用積體電路(ASIC)需要低電壓、大電流電源。通常，這些電源對輸出電壓偏差有非常嚴格的要求，尤其是對負載瞬態事件。對設計人員而言，測試這些電源可能會面臨許多挑戰，並且難以確認是否符合特定規格。
本文將解答負載瞬態測試的相關問題，並介紹可用來在困難條件下簡化測試的一些方法。
為了正確設計電源，首先需要瞭解所有的瞬態參數，以及它們如何應用於測試。常見的瞬態參數包括：
˙負載階躍的大小(以安培為單位或以滿載的百分比表示)；
˙瞬態事件中的最小負載(有時為零)；
˙負載階躍的轉換速率(通常以安培每微秒為單位)；
˙階躍兩極允許的最大電壓偏差；
˙預計恢復時間。
圖1說明了這些規格通常是如何被定義的。
圖1 負載瞬態測量的圖形描述。
瞭解所有參數之後，便可嘗試設計滿足要求的電源了。然而，按上述要求測試成為一大挑戰。輸出電壓為1V、負載階躍為100A，且轉換速率為1,000A/μs的要求並不常見。在大多數測試情況下，限制因素是被測電源和負載之間的電感。在實際系統中，電源往往正好靠近其供電的負載，從而使寄生電感最小化。
可以使用多種方法來測試選定電源的負載瞬態響應，但是每種方法各有利弊。這裡將比較以下選項：外部電子負載、外部瞬態板、場效應電晶體(FET)Slammer、板載瞬態發生器和基於插座的瞬態測試儀。
外部電子負載可能是測試瞬態回應最常用和最便捷的方法。大多數負載具有能夠輕鬆設置電流等級和轉換時間的模式。由於外部接線或實際負載限制，其主要缺點是轉換速率有所限制。
外部瞬態板通常可以在轉換速率方面獲得更好的結果，但這會降低一定的靈活性。根據設計的不同，負載瞬態板可能受限於最大電流、散熱或轉換速率。由於瞬態板屬於外部連接，接線通常是轉換速率限制的瓶頸。此外，還需要為每個測試電源調整或配置電路板。
FET Slammer是獲得高速瞬態結果的一種快速且簡單的方法。透過電阻或直接穿過電源的輸出端將金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)從漏極連接到源極，函數產生器控制閘極。由於外部接線很少，所以寄生電感大幅降低。
雖然這種方法通常可以產生高轉換速率，但控制和重複測試則可能有難度。也許需要修改PCB(圖2)。該方法的另一個問題是難以測量實際負載階躍電流，並且所測出的資料可能不準確。
圖2 具有FET slammer的PCB示例。
當測試大電流高速瞬態性能時，板載瞬態發生器將非常實用，可以為特定的負載瞬態規格設計電路。主要缺點是元件會額外產生成本和佔用空間。此外，採取多種不同測量可能難以兼具靈活性或比較耗時。
板載瞬態產生器的設計也非常複雜。它可以像由555計時器控制的電阻和FET一樣簡單，也可以如圖3所示的設計那樣複雜。更複雜的設計是使用多級和更小、更快的開關FET，這種設計可以實現1,000A/μs的轉換速率。
圖3 複雜版本的板載瞬態產生器。
最後一個選項是使用處理器插座和專門的瞬態測試儀。這個選項是最昂貴的方法，因為工具本身很昂貴，而PCB的價格也日益上漲，但是可以為一組給定的處理器要求得出最準確的結果。處理器或ASIC製造商經常開發這類工具，因此這些工具專門用於提供正確的測試條件。表1總結了瞬態測試選項。
表1 不同瞬態測試方法的比較。
負載瞬態測試是電源設計和合規中非常重要的一環。測試夾具中的寄生電感可能對實現所需轉換速率的能力有負面影響。使用上述方法，能幫助避免這個問題。
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