電源設計中負載瞬態(tài)測試的一些細節及方法

微處理器和專(zhuān)用集成電路（ASIC）需要低電壓、大電流電源。這些電源通常對輸出電壓偏差有非常嚴格的要求，尤其是對負載瞬態(tài)事件。對設計人員而言，測試這些電源可能會(huì )面臨許多挑戰，并且難以確認是否符合特定規格。
 
本文將解答負載瞬態(tài)測試的相關(guān)問(wèn)題，并介紹可在苛刻條件下簡(jiǎn)化測試的一些方法。
 
為了正確設計電源，您首先需要了解所有的瞬態(tài)參數，以及它們如何應用于測試。常見(jiàn)的瞬態(tài)參數包括：
 
• 負載階躍的大�。ㄒ园才酁閱挝换蛞詽M(mǎn)載的百分比表示）
• 瞬態(tài)事件中的最小負載（有時(shí)為零）
• 負載階躍的轉換速率（通常以安培每微秒為單位）
• 階躍兩極允許的最大電壓偏差
• 預計恢復時(shí)間

圖1舉例說(shuō)明了這些規格通常是如何被定義的。

圖1：負載瞬態(tài)測量的圖形描述。

了解所有參數之后，便可嘗試設計滿(mǎn)足要求的電源了。然而，按上述要求測試成為一大挑戰。輸出電壓為1V，負載階躍為100A，轉換速率為1000A/μs的要求并不常見(jiàn)。在大多數測試情況下，限制因素是被測電源和負載之間的電感。在實(shí)際系統中，電源往往正好靠近其供電的負載，從而使寄生電感最小化。
 
您可以使用多種方法來(lái)測試選定電源的負載瞬態(tài)響應，但是每種方法各有利弊。這里我將比較以下選項：外部電子負載、外部瞬態(tài)板、場(chǎng)效應晶體管（FET）Slammer、板載瞬態(tài)發(fā)生器和基于插座的瞬態(tài)測試儀。
 
外部電子負載可能是測試瞬態(tài)響應最常用和最便捷的方法。大多數負載具有使您能夠輕松設置電流等級和轉換時(shí)間的模式。由于外部接線(xiàn)或實(shí)際負載限制，其主要缺點(diǎn)是轉換速率有所限制。
 
外部瞬態(tài)板通�？梢栽谵D換速率方面獲得更好的結果，但這會(huì )降低一定的靈活性。根據設計的不同，負載瞬態(tài)板可能受限于最大電流、散熱或轉換速率。由于瞬態(tài)板屬于外部連接，接線(xiàn)通常是轉換速率限制的瓶頸。此外，還需要為每個(gè)測試電源調整或配置電路板。
 
FET slammer是獲得高速瞬態(tài)結果的一種快速且簡(jiǎn)單的方法。通過(guò)電阻器或直接穿過(guò)電源的輸出端將金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管從漏極連接到源極，函數發(fā)生器控制柵極。由于外部接線(xiàn)很少，所以寄生電感大幅降低。
 
雖然這種方法通�？梢援a(chǎn)生高轉換速率，但控制和重復測試可能有難度。也許需要修改PCB（圖2）。該方法的另一個(gè)問(wèn)題是難以測量實(shí)際負載階躍電流，并且測出的數據可能不準確。

圖2：具有FET slammer的PCB示例。

測試大電流高速瞬態(tài)性能時(shí)，板載瞬態(tài)發(fā)生器將非常實(shí)用，可以為特定的負載瞬態(tài)規格設計電路。主要缺點(diǎn)是組件會(huì )額外產(chǎn)生成本和占用空間。此外，采取多種不同測量可能難以兼具靈活性或比較耗時(shí)。
 
板載瞬態(tài)發(fā)生器的設計也非常復雜。它可以像由555定時(shí)器控制的電阻和FET一樣簡(jiǎn)單，也可以像圖3所示的設計那樣復雜。更復雜的設計是使用多級和更小、更快的開(kāi)關(guān)FET，這種設計可以實(shí)現1000A/μs的轉換速率。

圖3：復雜版本的板載瞬態(tài)發(fā)生器。

最后一個(gè)選項是使用處理器插座和專(zhuān)門(mén)的瞬態(tài)測試儀。這個(gè)選項是最昂貴的方法，因為工具本身很昂貴，而PCB的價(jià)格也日益上漲，但是可以為一組給定的處理器要求得出最準確的結果。處理器或ASIC制造商經(jīng)常開(kāi)發(fā)這類(lèi)工具，因此這些工具專(zhuān)門(mén)用于提供正確的測試條件。
 
表1總結了幾種瞬態(tài)測試方法。

表1：不同瞬態(tài)測試方法的比較。

負載瞬態(tài)測試是電源設計和合規中非常重要的一環(huán)。測試夾具中的寄生電感可能對實(shí)現所需轉換速率的能力有負面影響。使用上述方法，能幫助避免這個(gè)問(wèn)題。