如何為ATE應用創(chuàng )建具有拉電流和灌電流功能的雙輸出電壓軌

本文詳細介紹一種創(chuàng )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(gè)雙向電源。傳統的設備電源供電方法使用兩個(gè)雙向（拉電流和灌電流能力）電源，一個(gè)為正電壓軌供電，一個(gè)為負電壓軌供電。這種配置不但笨重，且成本高昂。

簡(jiǎn)介

DPS一般與自動(dòng)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(dòng)驅動(dòng)傳統的手動(dòng)電子測試設備來(lái)評估功能、質(zhì)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(shí)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(gè)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(gè)，同時(shí)仍然為DPS提供正負雙向電源。構建雙向正電源非常簡(jiǎn)單，可以使用市面上提供拉電流和灌電流的多種IC實(shí)現。問(wèn)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(gè)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(jiǎn)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(gè)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(diǎn)

●   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(jiǎn)化原理圖。

圖1.降壓轉換器。

圖2.反相降壓-升壓轉換器。

圖3.將降壓轉換器轉換為反相降壓-升壓配置。

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(shí)的電流路徑。圖5a顯示控制MOSFET導通時(shí)轉換器中的電流流動(dòng)。圖5c顯示控制MOSFET中的電流流動(dòng)，其平均值為輸入電流。在這段時(shí)間內，電感開(kāi)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(guān)斷后，sync MOSFET導通，圖5b顯示sync MOSFET中的電流流動(dòng)。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(kāi)始為負載和電容器供電時(shí)，其電流開(kāi)始下降。每個(gè)開(kāi)關(guān)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(guān)系。

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

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

灌電流

轉換器開(kāi)始獲取灌電流時(shí)，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(jīng)控制MOSFET和sync MOSFET的過(guò)程。由于轉換器正在獲取灌電流，所以負電流會(huì )流經(jīng)MOSFET。測試結果部分顯示了獲取灌電流期間的負電感電流。

圖6.(a)導通期間的電流流動(dòng)，(b)關(guān)斷期間的電流流動(dòng)，(c)流經(jīng)頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經(jīng)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(shí)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(gè)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(lián)，確保轉換器提供拉電流時(shí)不會(huì )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。

圖7.用于進(jìn)行拉灌電流測試的電路板設置。

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(kāi)啟后，VNEG電壓軌開(kāi)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(shí)，系統在此條件下保持開(kāi)環(huán)，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(kāi)啟后，VPOS電壓軌開(kāi)始獲取灌電流。

圖9.VNEG拉電流向灌電流轉變（+1 A至–20 A）。

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?yōu)槔娏?。圖12所示的VPOS電源軌也是如此。

圖11.VNEG灌電流向拉電流轉變（-20 A至+1 A）。

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(jìn)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(gè)電源軌的電流可用于為另一個(gè)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(gè)優(yōu)勢，即在設計雙向反相降壓-升壓轉換器時(shí)，可供選擇的IC會(huì )更多。

參考電路

Matthew Kessler。 “AN-1083（版本A）：利用開(kāi)關(guān)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）。