如何供電、加載、以及測(cè)試電源管理電路

為促進(jìn)電源發(fā)展，半導(dǎo)體公司提供了展示電源管理IC典型應(yīng)用的評(píng)估板。這為設(shè)計(jì)工程師著手一個(gè)可行的方案設(shè)計(jì)提供了機(jī)會(huì)，也有助于他們理解某個(gè)特定的電源管理IC是否能夠滿足他們的需求。

盡管這些評(píng)估板易于使用，但是有些附加的知識(shí)卻是很重要的。該怎樣給評(píng)估板供電以及評(píng)估板該如何加負(fù)載呢?這個(gè)問題也許聽似簡(jiǎn)單，但實(shí)驗(yàn)室電源的影響、連接到測(cè)試板上的導(dǎo)線、使用負(fù)載的類型及其連接方式等，這些都是需考慮的重要方面。只有對(duì)測(cè)試裝置有了清晰的理解，設(shè)計(jì)工程師才能真正意義上使用好評(píng)估板或其所擁有的任意測(cè)試板。

本文講述了使用不同的實(shí)驗(yàn)室電源和不同的開啟方法包括延遲開啟、使用電晶體開關(guān)開啟和插入電纜開啟等所帶來的影響。說明了不同的開啟方法并比較了其各自的優(yōu)劣。本文將說明針對(duì)測(cè)試目的的電子負(fù)載相對(duì)于阻抗負(fù)載的影響。尤其是對(duì)軟啟動(dòng)和短路恢復(fù)進(jìn)行了評(píng)估，采用不同的負(fù)載類型會(huì)有很大的不同。

一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)室裝置

圖1表明了一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)室裝置。該裝置由中間位置的處于測(cè)試狀態(tài)的直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器(評(píng)估板)、通過電纜連接的電源(實(shí)驗(yàn)室電源)和通過電纜相連的負(fù)載(無源阻抗負(fù)載或電子負(fù)載)組成。

圖1：用于測(cè)試電源評(píng)估板的實(shí)驗(yàn)室裝置

圖2表明了該基本裝置的電氣等效電路。

圖2：實(shí)驗(yàn)室電源的電氣等效電路

實(shí)驗(yàn)室電源所起的作用如同一個(gè)典型的電壓源。理想的電壓源具有少許源阻抗(Z1)。給評(píng)估板(待測(cè)電路)供電的電纜具有少許感抗和容抗。由于容抗的影響非常 小，所以圖2中沒有明確的標(biāo)明容抗。通常，帶有香蕉插頭的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室電纜采用紅黑專線且不粘附在一起，這樣可以使得容抗很小。

然而，感抗是相當(dāng)重要的。交流(AC)電路中的感抗會(huì)隨著電流流經(jīng)的閉環(huán)區(qū)域的增大而增加。將正的(陽極)和負(fù)的(陰極)電纜靠近在一起將會(huì)降低供電電纜的感抗。測(cè)試設(shè)備的重要屬性是輸入電容和輸出電容。

由于電源管理評(píng)估板需要一個(gè)良好的電壓源作輸入以及它們要在其輸出端扮演成一個(gè)電壓源的角色，因此電源管理評(píng)估板典型的具有輸入電容和輸出電容。阻抗Z2是 DC/DC轉(zhuǎn)換器的阻抗，它有一些對(duì)地阻抗，這些對(duì)地阻抗占用了電源的所有功耗，而且它還具有輸入阻抗和輸出阻抗。為簡(jiǎn)化起見，全部的內(nèi)阻用Z2表示。

負(fù)載電纜將測(cè)試電路的輸出端和負(fù)載連接起來。負(fù)載具有輸入阻抗Z3，Z3可以從純阻抗變化成感抗、容抗或二者混合。

啟動(dòng)被測(cè)電路

啟動(dòng)被測(cè)電路有幾種不同的方法。下面是兩種最常見的方法和一個(gè)簡(jiǎn)短的評(píng)論：

1)開啟實(shí)驗(yàn)室電源并將供電電纜插入到實(shí)驗(yàn)室電源。該方法類似于在電源通道放置了一個(gè)繼電器(機(jī)械開關(guān))或一個(gè)電源晶體管。

該方法的問題是被測(cè)電路的輸入容抗不會(huì)被充電。一旦實(shí)驗(yàn)室電源的電壓加載到了供電電纜，就會(huì)在實(shí)驗(yàn)室電源輸出端和被測(cè)電路的輸入端之間產(chǎn)生電勢(shì)差，該電勢(shì)差就是實(shí)驗(yàn)室電源的輸出電壓Vout。供電電纜的感抗會(huì)增大電流，當(dāng)被測(cè)電路的輸入電容被完全充滿電時(shí)達(dá)到頂點(diǎn)。如果跨越這些電容的電壓和實(shí)驗(yàn)室電源的輸出 電壓相等，那么經(jīng)過供電電纜的電流將會(huì)阻塞或限制Z2所需要的電流。

供電電纜的感抗抑制了瞬時(shí)電流變化，其結(jié)果是儲(chǔ)存在供電電纜感抗的能量促使跨越被測(cè)電路輸入電容的電壓形成過沖。過沖量與LC系統(tǒng)的衰減因數(shù)高度相關(guān)。電容 實(shí)際上具有一些等效串聯(lián)阻抗(ESR)，這將有助于電壓過沖的衰減。具有很小ESR的電容如陶瓷電容具有很低的衰減，由此導(dǎo)致形成更大的電壓過沖。曾見證過的跨越輸入電容的最大過沖量是實(shí)驗(yàn)室電源輸出電壓的二倍。

圖3表明了一個(gè)僅帶有陶瓷輸入電容的LM2676評(píng)估板的輸入電壓，其測(cè)試條件是用一個(gè)二英尺長(zhǎng)的供電電纜通過將“熱”供電電纜連接到評(píng)估板突然對(duì)其供電。

圖3：輸入節(jié)點(diǎn)電壓過沖

實(shí)驗(yàn)室電源設(shè)定為20V，但可發(fā)現(xiàn)電壓峰值在Cin被完全充滿電后達(dá)到了34V。由于LM2676的額定輸入電壓可達(dá)到40V，因此被測(cè)電路不會(huì)受損。

如果我們使用了一個(gè)具有較低最大額定輸入電壓的評(píng)估板，或者我們對(duì)更高的輸入電壓做了相同的測(cè)試，則Vin上的電壓毛刺將會(huì)輕易的損壞評(píng)估板上的開關(guān)穩(wěn)壓管和輸入電容。

被測(cè)設(shè)備的軟啟動(dòng)功能無法抑制該過沖，因?yàn)檐泦?dòng)僅僅控制了Z2的行為而不能影響到輸入電容。該情形也存在于被測(cè)設(shè)備的使能功能上。除電壓過沖的缺陷外，在較高的功率測(cè)試中對(duì)被測(cè)設(shè)備的熱插拔也可導(dǎo)致直流放電，而且用手插入設(shè)備時(shí)可能會(huì)發(fā)生一些接地反彈。

2)利用實(shí)驗(yàn)室電源的輸出使能按鈕啟動(dòng)被測(cè)設(shè)備。該啟動(dòng)電路的方法通常是測(cè)試電源板的一個(gè)好方法。該輸出使能功能通常包含有軟啟功能，從而使得供電電壓緩慢上 升。但是，一些電源并不具有輸出使能按鈕。在這種情況下，最好的辦法是將實(shí)驗(yàn)室電源設(shè)置成0V后連接被測(cè)電路，然后手動(dòng)增加實(shí)驗(yàn)室電源的電壓達(dá)到標(biāo)稱供電電壓值。

實(shí)驗(yàn)室電源通常有一個(gè)可調(diào)的最大設(shè)置電流限制和一個(gè)最大功率限制。啟動(dòng)期間，不僅終端負(fù)載被供電，而且被測(cè)設(shè)備的輸入電容和輸出電容均被充電。理解此點(diǎn)是非 常重要的。由于依賴于最大額定功率以及實(shí)驗(yàn)室電源電流的反射行為，所以被測(cè)設(shè)備也許根本就不可能被上電啟動(dòng)。如果實(shí)驗(yàn)室電源的尺度適合以致于最大功率或電 流能力恰好趨于終端負(fù)載的標(biāo)稱穩(wěn)態(tài)功率消耗，則有必要在啟動(dòng)期間將不同的能量消耗設(shè)備分開。

這些能量消耗包括：

a)被測(cè)設(shè)備的輸入電容。只有實(shí)驗(yàn)室電源的軟啟動(dòng)功能或手動(dòng)開啟電源能夠有影響。

b)被測(cè)設(shè)備的輸出電容。如果待測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)換器具有軟啟動(dòng)功能，則該負(fù)載可在啟動(dòng)期間降低。

c)終端負(fù)載。它可能在被測(cè)設(shè)備啟動(dòng)之后開啟，并在被測(cè)設(shè)備的輸出電容充電后運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)室電源最大的困境是當(dāng)被測(cè)設(shè)備具有大的輸入電容、具有非常短的軟啟動(dòng)或不具有軟啟動(dòng)、具有大的輸出電容、以及連接有終端負(fù)載且該負(fù)載呈容性的時(shí)候。在這樣的啟動(dòng)情形下，實(shí)驗(yàn)室電源將務(wù)必具有處理數(shù)倍于裝置標(biāo)稱穩(wěn)態(tài)電源的能力。如果實(shí)驗(yàn)室電源不能處理該功率，則結(jié)果是被測(cè)設(shè)備將根本不會(huì)啟動(dòng)或在邊界情況下電源在過了一段時(shí)間后才啟動(dòng)。

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