在 DCDC 電源測試中，負(fù)載瞬態(tài)測試（Load Transient Test）是十分重要的一環(huán)，利用負(fù)載瞬態(tài)測試，可以快速評估所測電源的穩(wěn)定性與快速性，而在 DCDC 轉(zhuǎn)換器芯片的選型時(shí)，負(fù)載瞬態(tài)測試表現(xiàn)也是評估該芯片動(dòng)態(tài)性能的重要參考。下圖是某 DCDC 轉(zhuǎn)換器負(fù)載瞬態(tài)測試的典型波形，CH3 為輸出電壓的 AC 分量，CH4 為負(fù)載電流。注意到負(fù)載電流上升斜率與下降斜率并不相同，較緩的上升斜率對應(yīng)較小的電壓跌落（Undershoot），而陡峭的下降斜率則對應(yīng)較大的電壓過沖（Overshoot）。
負(fù)載瞬態(tài)通常使用電子負(fù)載（E-Load）進(jìn)行測試，前面提到，負(fù)載的跳變斜率（Slew Rate）將對測試結(jié)果產(chǎn)生關(guān)鍵影響，然而受設(shè)備內(nèi)部電路限制，常規(guī)電子負(fù)載所能實(shí)現(xiàn)的 di/dt 不會(huì)很高，另外受不同廠家設(shè)計(jì)等因素影響，不同型號的電子負(fù)載其能實(shí)現(xiàn)的跳變速率也不盡相同，如下圖 2(a)(b)所示，兩圖分別為型號 A 和 B，在同樣設(shè)置 2.5A/us 時(shí)的實(shí)際電流上升斜率對比，可以看到實(shí)際電流跳變斜率遠(yuǎn)小于設(shè)置值，而不同型號的跳變斜率也不一樣。這可能導(dǎo)致電源瞬態(tài)測試結(jié)果偏理想，或?qū)Σ煌酒g性能評估不夠客觀。因此，設(shè)計(jì)一款簡易實(shí)用，負(fù)載跳變斜率可滿足實(shí)驗(yàn)要求的電子負(fù)載具有重要工程意義。
要實(shí)現(xiàn)較高的負(fù)載跳變速率，常規(guī)的設(shè)計(jì)思路是使用 MOSFET 對負(fù)載電阻進(jìn)行開斷，該方法實(shí)現(xiàn)雖然簡單，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在一個(gè)明顯缺點(diǎn)：由于 MOSFET 的開關(guān)過程一般在百 ns 級，因此限制負(fù)載電流跳變速率的主要是所選負(fù)載電阻的 ESL（等效串聯(lián)電感），一般的滑動(dòng)變阻器都是屬于繞線型電阻，其 ESL 往往較大，因此較難實(shí)現(xiàn)高跳變速率。而若選用獨(dú)立的無感功率電阻，假設(shè)測試需要能覆蓋 1.8V/3.3V/5V/12V 在 0.1A/0.5A/1A/2A/3A 下的負(fù)載跳變，就需要準(zhǔn)備多達(dá) 20 種不同阻值的電阻，若電壓 / 電流組合更復(fù)雜，則所需不同阻值的電阻將更多，且測試電壓或負(fù)載電流改變時(shí)必須更換相應(yīng)電阻，十分麻煩。
針對上述傳統(tǒng)方法的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于 MOSFET 的小功率實(shí)用電子負(fù)載。如下圖所示，該設(shè)計(jì)主要包括 MOSFET，驅(qū)動(dòng)級，電源軌及脈沖發(fā)生器四部分。其基本工作原理為：MOSFET 并非處于常規(guī)的開關(guān)狀態(tài)，而是使其工作在恒流區(qū)，脈沖發(fā)生器通過 DRV8836 驅(qū)動(dòng) MOSFET，產(chǎn)生一定幅值和脈寬的 GS 電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)漏極電流（負(fù)載電流）的跳變。其中負(fù)載電流的幅值可通過調(diào)節(jié) LDO 輸出電壓進(jìn)行控制，負(fù)載電流的上升 / 下降斜率則可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻阻值進(jìn)行控制。
設(shè)計(jì)中有幾點(diǎn)值得注意：
由于 MOSFET 處于恒流區(qū)，漏極電流受控于 GS 電壓，若采用傳統(tǒng)二極管加驅(qū)動(dòng)電阻的方式進(jìn)行斜率調(diào)節(jié)，當(dāng) GS 電壓與驅(qū)動(dòng)電壓小于二極管正向壓降時(shí)，二極管將相當(dāng)于高阻，會(huì)使得驅(qū)動(dòng)回路時(shí)間常數(shù)變大，動(dòng)態(tài)變差，因此這里使用 DRV8836 的兩個(gè)半橋?qū)崿F(xiàn)充放電的獨(dú)立控制；
實(shí)際負(fù)載動(dòng)態(tài)測試需要實(shí)現(xiàn)某一電流 A 跳變到另一電流 B，可將其分解為 DC 電流（電流 A）以及 AC 電流（電流 B）。本設(shè)計(jì)只需考慮 AC 電流（跳變部分），DC 電流只需在 MOSFET 兩端并聯(lián)一可調(diào)功率電阻即可；
為減小 MOSFET 發(fā)熱，可設(shè)置較低的脈沖頻率（如 10Hz），而相應(yīng)搭配較低的占空比；
為方便離線運(yùn)行，脈沖發(fā)生器部分這里采用了 LMC555 定時(shí)器搭建脈沖發(fā)生電路，以下電路實(shí)現(xiàn)了頻率不變而占空比可調(diào)的脈沖發(fā)生器。兩二極管的加入使得充放電回路分開，調(diào)節(jié) R2 即可調(diào)節(jié)充放電時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)。充放電時(shí)間及脈沖頻率計(jì)算如下式：
在實(shí)際條件允許時(shí)，也可直接使用信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號。
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，基于上述設(shè)計(jì)框圖搭建原型機(jī)如下圖：
原型機(jī)使用鋁殼功率電阻作為 DC 負(fù)載，通過多圈可調(diào)電位器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻，以達(dá)到不同的負(fù)載跳變斜率，對被測 DCDC 模塊進(jìn)行 5V/1A~6A 的負(fù)載瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示，通道 3 為輸出電壓交流信號，通道 4 為負(fù)載電流：
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，所搭建的原型機(jī)能實(shí)現(xiàn)在既定（平均）斜率下的負(fù)載跳變，且斜率及負(fù)載大小可以分別通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻和 LDO 輸出電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。值得注意的是，被測 DCDC 模塊在 250mA/us 下的電壓跌落（Undershoot）為 268mV，而在 2.5A/us 下則達(dá)到 432mV，可見負(fù)載跳變速率（Slew Rate）對負(fù)載瞬態(tài)測試結(jié)果的影響是十分明顯的。
本文從實(shí)際負(fù)載瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)的需求出發(fā)，分析了現(xiàn)有電子負(fù)載的局限性，針對該不足并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了一款簡易實(shí)用的小功率電子負(fù)載，給出了具體系統(tǒng)框圖及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并據(jù)此搭建了原型機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，原型機(jī)可以實(shí)現(xiàn)既定斜率下的負(fù)載跳變，能較好地滿足小功率負(fù)載瞬變測試的需求。
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