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      如何為ATE應用創建具有拉電流和灌電流功能的雙輸出電壓軌

      發布時間:2023-03-21 來源:ADI 責任編輯:wenwei

      【導讀】本文詳細介紹一種創建雙輸出電壓軌的方法,該方法能為設備電源(DPS)提供正負電壓軌,并且只需要一個雙向電源。傳統的設備電源供電方法使用兩個雙向(拉電流和灌電流能力)電源,一個為正電壓軌供電,一個為負電壓軌供電。這種配置不但笨重,且成本高昂。


      簡介


      DPS一般與自動測試設備(ATE)和其他測量設備搭配使用。ATE是一種電腦控制機械設備,自動驅動傳統的手動電子測試設備來評估功能、質量、性能和應力測試。這些ATE需要配套的DPS提供四象限電源運行能力。DPS是一種四象限電源,可以提供正電壓或負電壓,同時具備拉電流和灌電流能力。要使用DPS為更大電流的應用供電,需要將多個DPS設備組合在一起,以提高解決方案的電流容量。DPS可以提供拉電流和獲取灌電流,所以DPS的電源必須具備同樣的功能。采用雙輸出電壓軌設計旨在將所需的雙向電源的數量減少至一個,同時仍然為DPS提供正負雙向電源。構建雙向正電源非常簡單,可以使用市面上提供拉電流和灌電流的多種IC實現。問題在于根據受測設備(DUT)的要求,負電源也需要具有拉電流和灌電流能力。一種解決方案是使用雙向降壓IC,該IC可以配置用作反相降壓-升壓轉換器。例如 LTC3871,這是一個雙向降壓或升壓控制器,可用于正電壓軌和負電壓軌。


      使用降壓IC設計反相降壓-升壓轉換器


      圖1顯示了降壓轉換器的簡化原理示意圖。該轉換器獲取正電壓輸入,然后輸出幅度更低的正電壓。圖2顯示了一個反相降壓-升壓轉換器,它獲取正電壓輸出,然后輸出幅度更小或更大的負電壓。如圖3所示,可以按照以下步驟,將降壓拓撲轉換為反相降壓-升壓拓撲:


      ●   將降壓轉換器的正電壓輸出轉換為系統地

      ●   將降壓轉換器的系統地轉換為負電壓輸出節點

      ●   在降壓轉換器的VIN和正電壓輸出之間施加輸入電壓


      圖4顯示了將降壓IC轉換為反相降壓-升壓配置的簡化原理圖。


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      圖1.降壓轉換器。


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      圖2.反相降壓-升壓轉換器。


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      圖3.將降壓轉換器轉換為反相降壓-升壓配置。


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      圖4.反相降壓-升壓拓撲中使用的降壓IC。


      轉換降壓IC的工作原理


      拉電流


      圖5顯示反相降壓-升壓轉換器的波形,以及提供拉電流時的電流路徑。圖5a顯示控制MOSFET導通時轉換器中的電流流動。圖5c顯示控制MOSFET中的電流流動,其平均值為輸入電流。在這段時間內,電感開始儲存電能,使電流升高,輸出電容為負載供電。在此期間,電感電壓等于輸入電壓。


      當control MOSFET(建議這里control 不要翻譯)關斷后,sync MOSFET導通,圖5b顯示sync MOSFET中的電流流動。輸出電流是sync MOSFET的平均電流,電感電壓等于輸出電壓。當電感開始為負載和電容器供電時,其電流開始下降。每個開關周期都如此重復。


      轉換器反饋控制脈寬調制(PWM),將輸出電壓調節至分壓電阻設置的所需電平。公式1顯示了輸出電壓與輸入電壓之間的關系。


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      其中


      ●   VOUT =輸出電壓

      ●   VIN =輸入電壓

      ●   D =占空比

      ●   η = 系統效率


      占空比大于50%時,輸出電壓大于輸入電壓,占空比小于50%時,輸出電壓小于輸入電壓。


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      圖5.(a)導通期間的電流流動,(b)關斷期間的電流流動,(c)流經頂部/控制MOSFET的電流,(d)流經底部/sync MOSFET的電流,(e)電感電壓。


      灌電流


      轉換器開始獲取灌電流時,電流從輸出流向輸入,如圖6a和6b所示。圖6c和6d分別顯示了電流流經控制MOSFET和sync MOSFET的過程。由于轉換器正在獲取灌電流,所以負電流會流經MOSFET。測試結果部分顯示了獲取灌電流期間的負電感電流。


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      圖6.(a)導通期間的電流流動,(b)關斷期間的電流流動,(c)流經頂部/控制MOSFET的電流,(d)流經底部/sync MOSFET的電流。


      測試結果


      圖7顯示用于測試設計的拉灌電流和灌拉電流能力的實際設置。圖8顯示了該設置的框圖。雙向直流電源用作VPOS的電源,處于CV模式。另一個直流電源連接至VNEG的輸出。此直流電源控制流入系統的電流量。阻塞二極管與該直流電源串聯,確保轉換器提供拉電流時不會有電流流入轉換器。電子負載用作初始負載,以表明系統能夠從提供拉電流轉換為獲取灌電流,反之亦然。


      9.jpg

      圖7.用于進行拉灌電流測試的電路板設置。


      10.png

      圖8.該測試板電路設置的框圖。


      捕捉到的波形如圖9所示。直流電源開啟后,VNEG電壓軌開始獲取灌電流。從電感電流波形可以看出,它從正電流轉為負電流。在VNEG獲取灌電流時,系統在此條件下保持開環,拉灌電流由外部直流電源的CC模式控制。圖10所示的VPOS也是如此。連接至其輸出的直流電電源開啟后,VPOS電壓軌開始獲取灌電流。


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      圖9.VNEG拉電流向灌電流轉變(+1 A至–20 A)。


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      圖10.VPOS拉電流向灌電流轉變(+1 A至–20 A)。


      捕捉到的波形如圖11所示,展示了系統從拉電流向灌電流轉變的行為。從電感電流可以看出,它從負電流轉為正電流。這表明停止向VNEG施加DC電壓之后,電流重新轉變為拉電流。圖12所示的VPOS電源軌也是如此。


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      圖11.VNEG灌電流向拉電流轉變(-20 A至+1 A)。


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      圖12.VPOS灌電流向拉電流轉變(-20 A至+1 A)。


      結論


      雙輸出電壓軌能夠進行VPOS和VNEG雙向供電,所以減少了所需的設備數量。因為灌入一個電源軌的電流可用于為另一個電源軌供電,使得主電源拉取的電流減少,所以其效率更高。該設計還有另一個優勢,即在設計雙向反相降壓-升壓轉換器時,可供選擇的IC會更多。


      參考電路


      Matthew Kessler。 “AN-1083(版本A):利用開關穩壓器ADP2300和ADP2301設計反相降壓-升壓轉換器。(ADI公司,2010年)。


      Ricky Yang。 “AN-1168(版本0):采用ADP2384/ADP2386同步降壓DC-DC穩壓器設計反相電源。(ADI公司,2012年)。



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