设计一个 100A 有源负载用来测试电源可靠性

当我们使用有源负载测试电路来确保微处理器或其他数字负载的电源提供 100A 瞬态电流。这种有源负载可以为电源提供直流负载，并且可以在直流电平之间快速切换。这些瞬态负载模拟微处理器中的快速逻辑切换。

理想情况下，您的稳压器输出在负载瞬态期间是不变的。然而，在实践中，您会遇到一些变化，如果超出允许的工作电压容差，就会出现问题。您可以将您的有源负载电路基于以前在较低电流下工作的宽带负载设计。这种方法允许您设计具有线性响应的闭环、500kHz 带宽、100A 有源负载。

传统的有源负载电路存在缺点(图 1)。被测稳压器驱动直流和开关电阻负载。监控开关电流和输出电压，以便在静态和动态条件下比较稳定的输出电压与负载电流。开关电流要么打开，要么关闭。当它发生变化时，您无法在线性区域中控制它。

您可以通过包含电子负载开关控制来进一步发展这一概念(图 2)。输入脉冲通过驱动级切换 FET，从稳压器及其输出电容器产生瞬态负载电流。这些电容器的尺寸、组成和位置对瞬态响应有深远的影响。尽管电子控制有助于高速开关，但该架构无法模拟介于最小电流和最大电流之间的负载。此外，您没有控制 FET 的开关速度，因为这样做会在测量中引入宽带谐波，这可能会破坏示波器显示。

瞬态发生器

将 Q 1放置在反馈回路中可以对负载测试仪进行真正的线性控制(图 3)。您现在可以线性控制 Q 1的栅极电压，允许您在任何点设置瞬时瞬态电流并模拟几乎任何负载曲线。从 Q 1的源到控制放大器 A 1的反馈关闭了 Q 1周围的控制回路，从而稳定了其工作点。瞬时输入控制电压和电流检测电阻器的值将 Q 1的电流设置为宽带宽。您使用直流负载设置电位器将 A 1偏置到 Q 1的导通阈值。A 1的小变化的输出导致 Q 1的大电流变化，这意味着 A 1不需要提供大的输出偏移。基本速度限制是放大器的小信号带宽。只要输入信号保持在该带宽内，Q 1的电流波形就与 A 1的输入控制电压波形相同，从而可以对负载电流进行线性控制。这种通用功能允许您模拟各种负载。

您可以通过添加一些组件来改进此电路(图 4)。栅极驱动级将控制放大器与 Q 1的栅极电容隔离，以保持放大器的相位裕度并提供低延迟和线性电流增益。增益为 10 的差分放大器在 1mΩ 分流电阻器上提供高分辨率感测。您可以设计一个功耗限制器，作用于平均输入值和 Q 1的温度。它会关闭 FET 的栅极驱动，以防止过热和随后的损坏。可以将电容器添加到主放大器以调整带宽并优化环路响应。

您可以根据这些概念开发详细的原理图(图 5)。主放大器 A 1响应直流和脉冲输入。您还可以从 A 3向它发送一个反馈信号，该信号代表负载电流。A 1通过 Q 4 /Q 5栅极驱动级设置 Q 1的电导率，该级使用 A 2主动偏置。栅极驱动器输入二极管上的电压降将高到足以完全开启 Q 4和 Q 5。为防止这种过驱动，请使用 Q 3降低下二极管两端的电压。放大器 A 2通过将 Q 5的平均集电极电流与参考值进行比较并控制 Q 3的导通来确定栅极驱动级偏置，从而关闭环路。该回路将 Q 4和 Q 5基极的电压降保持在远低于 1.2V 的值，并且伺服该值直到 Q 4和 Q 5具有 10 mA 的平均集电极偏置电流。

如果负载开启时间过长，负载的占空比会过热。您可以使用大功率脉冲发生器设计人员使用的技术设计保护电路。馈送比较器 IC 1的平均输入电压值。它将该电压与使用耗散限制调节电位器设置的参考电压进行比较。如果输入占空比超过此限制，比较器 IC 1通过 Q 2关闭 FET 栅极驱动。热敏开关 S 1提供进一步的保护。如果 Q 1的散热器过热，S 1会打开并断开栅极驱动信号。通过转移 Q 4的偏置电压、晶体管 Q 6和齐纳二极管防止 Q 1在 -15V 电源不存在时导通。如果您失去 15V 电源，A 1正输入上的 1-kΩ 电阻可防止放大器损坏。

微调优化了动态响应，确定了环路的直流基线空闲电流，设置了耗散限制，并控制了栅极驱动器的级偏置。直流微调是不言自明的。A 1处的环路补偿和 FET 响应交流微调更为微妙。调整它们以获得环路稳定性、边沿速率和脉冲纯度之间的最佳折衷。您可以使用 A 1的环路补偿微调电容器来设置最大带宽的滚降，并适应 Q 1的栅极电容和 A 3引入的相移。FET 响应调整部分补偿了 Q 1固有的非线性增益特性，提高了前后脉冲的角保真度。

电路测试

您最初使用配备有大量、低损耗、宽带旁路的夹具来测试电路(图 6)。在大电流路径中进行极低电感布局非常重要。必须尽一切努力将 100A 路径中的电感降至最低。如果将高电流路径中的电感降至最低(图 7)，则在正确调整电路后应该会获得良好的结果。100A 幅度的高速波形是纯正的，几乎看不到顶部和底部后角的不忠。

主要研究交流微调对波形的影响，您必须故意进行错误调整。过阻尼响应是过量 A 1反馈电容的典型特征(图 8)。电流脉冲控制良好，但边沿速率较慢。A 1的反馈电容不足会缩短转换时间，但会增加不稳定性(图 9)。进一步减小微调电容会导致环路振荡，因为环路的相移会导致反馈中出现明显的相位滞后。无法获得不受控制的 100A 环路振荡的范围照片。事件太激动了，无法记录。过度 FET 的响应补偿会导致波形拐角处出现峰值(图 10)。将交流调整恢复到标称值会在前沿产生 650 纳秒的上升时间，相当于 540 kHz 的带宽(图 11)。在相同条件下检查后沿会发现下降时间稍微快了 500 纳秒(图 12)。

布局效果

如果大电流路径中存在寄生电感，您的设计将无法远程接近之前的响应。您可以故意在 Q 1的漏极路径中放置一个 20nH 的微小寄生电感(图 13)，这将导致由电感和环路的后续响应引起的巨大波形退化(图 14a)。在恢复发生在脉冲顶部的中间之前，一个巨大的错误占据了前沿。在下降沿的关断中，额外的畸变很明显。该图的水平比例比优化响应慢五倍(图 14b)。教训很清楚：高速 100A 偏移不能容忍电感。

调节器测试

解决补偿和布局问题后，您可以测试电源稳压器(图 15)。六相 120A凌力尔特公司LTC1675A 降压稳压器用作演示板。测试电路产生 100A 负载脉冲(图 16的迹线 A )。稳压器在两个边缘都保持良好的控制响应(图 16的迹线 B )。有源负载的真正线性响应和高带宽允许宽范围的负载波形特性。尽管图 16中的阶跃负载脉冲是通常需要的测试，但您可以生成任何负载曲线。一个 100A、100kHz 正弦波的脉冲串就是一个例子(图 17)。尽管速度和电流很高，但响应清晰，没有不良动态。即使是 80 微秒的 100A pp 噪声突发，您也可以形成负载(图 18)。负载电路具有高精度、合规性和调节规范(图 19和表 1)。