本應用筆記介紹了如何實(shí)現一個(gè)非承諾、隔離式SPST（單刀/單擲）雙極性電源開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)可用于產(chǎn)生高達200A和75V的瞬變。該開(kāi)關(guān)可用于測試電源和電源 IC。該開(kāi)關(guān)專(zhuān)為測試快速電路而設計，可在數十納秒內實(shí)現導通和關(guān)斷時(shí)間。

介紹

在測試一般電源電路，特別是電源IC時(shí)，一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是需要能夠產(chǎn)生瞬變并處理所需的大電流和電壓脈沖的開(kāi)關(guān)。這種開(kāi)關(guān)必須能夠連接到各種電路拓撲，具體取決于被測電源的類(lèi)型及其應用。

在某些情況下，可以使用商業(yè)測試負載;否則，有必要開(kāi)發(fā)一種獨一無(wú)二的測試設置。如果開(kāi)關(guān)的一側連接到電源公共電源，而電源恰好也是系統公共電源，則設置設計很簡(jiǎn)單。如果沒(méi)有，則需要設計自定義開(kāi)關(guān)驅動(dòng)程序，這可能非常復雜。一個(gè)足夠通用的開(kāi)關(guān)可以執行大多數電源瞬態(tài)故障測試將非常有用。這種開(kāi)關(guān)的規格概述應包括最大電壓和電流額定值，以及目前市場(chǎng)上大多數中檔電源的測試需求。

開(kāi)關(guān)應具有超過(guò)100A的電流能力，并能夠承受至少75V的開(kāi)路電壓。它必須是雙極性的，用于載流和保持電壓，因為一些測試會(huì )產(chǎn)生振鈴電流，而一些電源電路會(huì )產(chǎn)生雙極性輸出。導通和關(guān)斷速度應在幾十納秒內，以便觀(guān)察快速電路的響應。開(kāi)關(guān)的串聯(lián)電阻必須低。串聯(lián)電感也必須非常低，這意味著(zhù)物理尺寸小且電流路徑較短。最后但并非最不重要的一點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)必須電氣隔離，并且具有非常低的輸出對地電容——如果要將開(kāi)關(guān)插入電路而不扭曲其性能或響應，這是一個(gè)基本屬性。

電路說(shuō)明

圖 1 顯示了滿(mǎn)足上述愿望列表中的大多數項目的開(kāi)關(guān)。它采用側對側電容小于1pF的數字隔離器耦合器實(shí)現。它的總傳播延遲為 80ns，輸出上升時(shí)間約為 40ns。輸出級由兩個(gè)低R組成德森MOSFET 能夠處理任一極性的 75V、200A 瞬變。

開(kāi)關(guān)元件（兩個(gè)輸出MOSFET采用反串聯(lián)連接）具有7mΩ串聯(lián)電阻和25nH串聯(lián)電感。在ON狀態(tài)下，它充當兩個(gè)極性電流（包括零交越）的線(xiàn)性電阻器，因此不會(huì )引入諧波失真，充當金屬觸點(diǎn)。

圖1.該電路使能5V邏輯信號來(lái)控制一個(gè)非專(zhuān)用（隔離）電源開(kāi)關(guān)（Q1–Q2），該開(kāi)關(guān)能夠在200V時(shí)處理75A脈沖。

對于吸收大于50A電流的低電阻負載，開(kāi)關(guān)上升時(shí)間（定義為ON瞬態(tài)）主要由串聯(lián)電感決定。對于較低電流范圍，上升時(shí)間低于40ns，下降時(shí)間（關(guān)斷瞬態(tài)）主要與負載阻抗有關(guān)。

電路隔離（開(kāi)關(guān)）側的電源是一組三個(gè)串聯(lián)的3V鋰硬幣原電池（CR2025二氧化錳鋰電池）。對于幾千赫茲的開(kāi)關(guān)速率，這種電池類(lèi)型標稱(chēng)可用的 170mAh 應該支持連續使用一個(gè)多月。對于正常的測試臺應用，如果保持永久連接，電池壽命應在三個(gè)月左右。

輸入為0V至5V數字信號，其唯一要求是上升和下降時(shí)間小于20ns，最小脈沖寬度（ON或OFF）為50ns。當導通電流小于18A時(shí)，開(kāi)關(guān)可以無(wú)限期地保持ON或OFF狀態(tài)。

在圖1中，IC1和IC2形成一個(gè)邊緣檢測器，根據輸入邊沿的符號，向T1初級的任一側施加窄正脈沖。另一邊仍然很低。因此，T1脈沖極性取決于施加到電路的輸入信號邊沿的極性。T1的次級連接在同相邏輯緩沖器（輸入到輸出）上，該緩沖器由雙通道低邊功率MOSFET驅動(dòng)器（IC3）的一半組成。該緩沖器表現為雙穩態(tài)電路（觸發(fā)器），該電路響應T1初級端的正脈沖而設置，并響應負脈沖復位。然后，雙穩態(tài)電路輸出是電路輸入（施加到邊緣檢測器的數字輸入信號）的副本。

IC3的另一半和IC4的兩個(gè)驅動(dòng)器都并聯(lián)連接。它們的輸入連接到雙穩態(tài)輸出，它們的輸出并聯(lián)連接，驅動(dòng)兩個(gè)低R的柵極德森功率場(chǎng)效應管 （IRFB3077）。兩個(gè) MOSFET 以反串聯(lián)方式連接，漏極連接到外部開(kāi)關(guān)電源連接，兩個(gè)柵極連接在一起，兩個(gè)電源連接在一起。三個(gè)驅動(dòng)器的并聯(lián)提高了功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，因為IC2-IC3的每一部分都可以提供4A的峰值柵極電流，三者合計為12A。MOSFET 源極連接到電池的負極。

MAX5048的輸入邏輯允許輕松實(shí)現邊緣檢測器，MAX5054 s（用作功率晶體管驅動(dòng)器）的較低靜態(tài)功耗延長(cháng)了電池壽命。因此，在低端（控制和隔離，IC1和IC2）和高端（電源驅動(dòng)器，IC3和IC4）包括相似但不同的IC驅動(dòng)器。

圖2顯示了電源開(kāi)關(guān)的等效電路，包括主要寄生元件。與所有電源電路一樣，開(kāi)關(guān)的連續功率處理能力取決于提供的散熱器。但是，由于包含散熱器會(huì )大大增加寄生輸出電容，因此該設計不包括散熱器。作為處理200A脈沖時(shí)的補償，脈沖寬度必須限制為8ms，開(kāi)關(guān)占空比必須限制為最大0.5%。對于80A瞬變，脈沖不受封裝限制，因此可以持續更長(cháng)時(shí)間（長(cháng)達50ms），但80A瞬變的占空比不應超過(guò)3%。

圖2.這是一個(gè)電源開(kāi)關(guān)電路，與圖1電路相當，但包括主要的寄生元件。

在室溫下切換無(wú)鉗位電感時(shí)，圖1電路在單個(gè)非重復脈沖中的能量吸收能力為280mJ，或在最大占空比為200%的情況下為1mJ/脈沖。

耦合變壓器設計用于最小尺寸和繞組間電容：初級線(xiàn)圈一匝，次級兩匝，纏繞在 Fair-Rite 2643000801 7.5mm x 7.5mm 鐵氧體磁珠上。變壓器結構還設置開(kāi)關(guān)負載和開(kāi)關(guān)控制電路之間的最大允許電壓差。當使用普通電磁線(xiàn)絕緣結構時(shí)，它可以輕松承受 1kV，如果電線(xiàn)用特氟龍或類(lèi)似的高質(zhì)量、高介電剛性絕緣材料絕緣，則可承受超過(guò) 1kV。對于更高的電壓隔離，還應審查封裝設計的所有其他方面。

T1的鐵氧體磁芯必須被認為是導電的;因此，不得允許它同時(shí)接觸交換機的兩側。該開(kāi)關(guān)沒(méi)有聯(lián)鎖保護，因此在使用之前必須驗證鋰電池的狀況。未包括電路以保證通電時(shí)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)（ON或OFF）。因此，在打開(kāi)設置的任何其他電源之前，必須打開(kāi)交換機的電源。由于開(kāi)關(guān)狀態(tài)是由施加在輸入端的第一個(gè)轉換強制的，因此在向設置的其余部分通電之前，開(kāi)關(guān)應至少循環(huán)打開(kāi)和關(guān)閉一次。

測試結果

在圖3–5中，頂部波形是數字輸入，底部波形是在5.0Ω阻性負載上觀(guān)察到的25μs脈沖，通過(guò)開(kāi)關(guān)連接到50V電源。由于波形是在短的極低電感薄膜電阻器上產(chǎn)生的電壓，因此它們非常接近開(kāi)關(guān)電流波形。圖200的近似3A脈沖形狀在其過(guò)沖和上升時(shí)間（60ns至80ns）方面都受到高電流路徑中寄生電感和電容的影響。圖4顯示了該脈沖的上升時(shí)間和導通傳播延遲;圖5顯示了下降時(shí)間和關(guān)斷傳播延遲。圖6–8顯示了5Ω負載和10A脈沖的相同波形，采用相同的50V電源工作。由此產(chǎn)生的上升時(shí)間更接近MOSFET的30ns至40ns固有開(kāi)關(guān)上升時(shí)間，受封裝和源極電感的限制。

圖3.從圖1中，響應控制信號（5）的2μs脈沖（1）出現在由0.25Ω電阻與50V電源串聯(lián)的負載上。


圖4.圖3所示的上升時(shí)間和導通傳播延遲，以40ns/cm掃描速率查看。


圖5.圖3所示的下降時(shí)間和關(guān)斷傳播延遲，掃描速率為40ns/cm。


圖6.從圖1中，響應控制信號（5）的2μs脈沖（1）出現在由5Ω電阻和50V電源串聯(lián)的負載上。


圖7.圖6所示的上升時(shí)間和導通傳播延遲，以40ns/cm掃描速率查看。


圖8.圖6所示的下降時(shí)間和關(guān)斷傳播延遲，掃描速率為40ns/cm。

總結

本應用筆記說(shuō)明了簡(jiǎn)化電源測試的SPST雙極性電源開(kāi)關(guān)的設計。該開(kāi)關(guān)能夠承受開(kāi)關(guān)瞬變期間產(chǎn)生的大電流和電壓脈沖，可用于測試市場(chǎng)上大多數中檔電源。它可以處理兩種極性的75V，200A瞬變;它在數十納秒內實(shí)現了開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間;它具有低串聯(lián)電阻和非常低的串聯(lián)電感;它采用電氣隔離，輸出對地電容非常低。