如何供電、加載、以及測試電源管理電路（一）

為促進(jìn)電源發(fā)展，半導體公司提供了展示電源管理IC典型應用的評估板。這為設計工程師著(zhù)手一個(gè)可行的方案設計提供了機會(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(mǎn)足他們的需求。

盡管這些評估板易于使用，但是有些附加的知識卻是很重要的。該怎樣給評估板供電以及評估板該如何加負載呢？這個(gè)問(wèn)題也許聽(tīng)似簡(jiǎn)單，但實(shí)驗室電源的影響、連接到測試板上的導線(xiàn)、使用負載的類(lèi)型及其連接方式等，這些都是需考慮的重要方面。只有對測試裝置有了清晰的理解，設計工程師才能真正意義上使用好評估板或其所擁有的任意測試板。

本文講述了使用不同的實(shí)驗室電源和不同的開(kāi)啟方法包括延遲開(kāi)啟、使用電晶體開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和插入電纜開(kāi)啟等所帶來(lái)的影響。說(shuō)明了不同的開(kāi)啟方法并比較了其各自的優(yōu)劣。本文將說(shuō)明針對測試目的的電子負載相對于阻抗負載的影響。尤其是對軟啟動(dòng)和短路恢復進(jìn)行了評估，采用不同的負載類(lèi)型會(huì )有很大的不同。

一個(gè)典型實(shí)驗室裝置

圖1表明了一個(gè)典型的實(shí)驗室裝置。該裝置由中間位置的處于測試狀態(tài)的直流/直流(DC/DC)轉換器(評估板)、通過(guò)電纜連接的電源(實(shí)驗室電源)和通過(guò)電纜相連的負載(無(wú)源阻抗負載或電子負載)組成。

圖1：用于測試電源評估板的實(shí)驗室裝置

圖2表明了該基本裝置的電氣等效電路。

圖2：實(shí)驗室電源的電氣等效電路

實(shí)驗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)。給評估板(待測電路)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(méi)有明確的標明容抗。通常，帶有香蕉插頭的標準實(shí)驗室電纜采用紅黑專(zhuān)線(xiàn)且不粘附在一起，這樣可以使得容抗很小。

然而，感抗是相當重要的。交流(AC)電路中的感抗會(huì )隨著(zhù)電流流經(jīng)的閉環(huán)區域的增大而增加。將正的(陽(yáng)極)和負的(陰極)電纜靠近在一起將會(huì )降低供電電纜的感抗。測試設備的重要屬性是輸入電容和輸出電容。

由于電源管理評估板需要一個(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，因此電源管理評估板典型的具有輸入電容和輸出電容。阻抗Z2是 DC/DC轉換器的阻抗，它有一些對地阻抗，這些對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(jiàn)，全部的內阻用Z2表示。

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

啟動(dòng)被測電路

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

1）開(kāi)啟實(shí)驗室電源并將供電電纜插入到實(shí)驗室電源。該方法類(lèi)似于在電源通道放置了一個(gè)繼電器(機械開(kāi)關(guān))或一個(gè)電源晶體管。

該方法的問(wèn)題是被測電路的輸入容抗不會(huì )被充電。一旦實(shí)驗室電源的電壓加載到了供電電纜，就會(huì )在實(shí)驗室電源輸出端和被測電路的輸入端之間產(chǎn)生電勢差，該電勢差就是實(shí)驗室電源的輸出電壓Vout。供電電纜的感抗會(huì )增大電流，當被測電路的輸入電容被完全充滿(mǎn)電時(shí)達到頂點(diǎn)。如果跨越這些電容的電壓和實(shí)驗室電源的輸出 電壓相等，那么經(jīng)過(guò)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，其結果是儲存在供電電纜感抗的能量促使跨越被測電路輸入電容的電壓形成過(guò)沖。過(guò)沖量與LC系統的衰減因數高度相關(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(guò)沖的衰減。具有很小ESR的電容如陶瓷電容具有很低的衰減，由此導致形成更大的電壓過(guò)沖。曾見(jiàn)證過(guò)的跨越輸入電容的最大過(guò)沖量是實(shí)驗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評估板的輸入電壓，其測試條件是用一個(gè)二英尺長(cháng)的供電電纜通過(guò)將“熱”供電電纜連接到評估板突然對其供電。

圖3：輸入節點(diǎn)電壓過(guò)沖

實(shí)驗室電源設定為20V，但可發(fā)現電壓峰值在Cin被完全充滿(mǎn)電后達到了34V。由于LM2676的額定輸入電壓可達到40V，因此被測電路不會(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估板，或者我們對更高的輸入電壓做了相同的測試，則Vin上的電壓毛刺將會(huì )輕易的損壞評估板上的開(kāi)關(guān)穩壓管和輸入電容。

被測設備的軟啟動(dòng)功能無(wú)法抑制該過(guò)沖，因為軟啟動(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設備的使能功能上。除電壓過(guò)沖的缺陷外，在較高的功率測試中對被測設備的熱插拔也可導致直流放電，而且用手插入設備時(shí)可能會(huì )發(fā)生一些接地反彈。

2）利用實(shí)驗室電源的輸出使能按鈕啟動(dòng)被測設備。該啟動(dòng)電路的方法通常是測試電源板的一個(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)驗室電源設置成0V后連接被測電路，然后手動(dòng)增加實(shí)驗室電源的電壓達到標稱(chēng)供電電壓值。

實(shí)驗室電源通常有一個(gè)可調的最大設置電流限制和一個(gè)最大功率限制。啟動(dòng)期間，不僅終端負載被供電，而且被測設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(lài)于最大額定功率以及實(shí)驗室電源電流的反射行為，所以被測設備也許根本就不可能被上電啟動(dòng)。如果實(shí)驗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載的標稱(chēng)穩態(tài)功率消耗，則有必要在啟動(dòng)期間將不同的能量消耗設備分開(kāi)。

這些能量消耗包括：

a)被測設備的輸入電容。只有實(shí)驗室電源的軟啟動(dòng)功能或手動(dòng)開(kāi)啟電源能夠有影響。

b)被測設備的輸出電容。如果待測設備的轉換器具有軟啟動(dòng)功能，則該負載可在啟動(dòng)期間降低。

c)終端負載。它可能在被測設備啟動(dòng)之后開(kāi)啟，并在被測設備的輸出電容充電后運行。

實(shí)驗室電源最大的困境是當被測設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、以及連接有終端負載且該負載呈容性的時(shí)候。在這樣的啟動(dòng)情形下，實(shí)驗室電源將務(wù)必具有處理數倍于裝置標稱(chēng)穩態(tài)電源的能力。如果實(shí)驗室電源不能處理該功率，則結果是被測設備將根本不會(huì )啟動(dòng)或在邊界情況下電源在過(guò)了一段時(shí)間后才啟動(dòng)。