簡化電源測試的SPST雙極性功率開關
摘要：本應用筆記介紹了一種獨立的隔離SPST (單刀/單擲)雙極性電源開關，用于產生200A、75V瞬變信號。該開關能夠用來測試電源或電源IC，用于高速電路的測試，開關的通、斷時間可以達到納秒級。
引言
處理必要的大電流和脈沖電壓。這樣的開關必需能夠連接各種拓撲結構的電路，具體取決于被測電源的類型及其應用。
有些情況下，可以采用商業化的測試負載或開發一套測試流程。如果開關的一側連接在電源的公共端，測試過程將相對簡單。否則，就必須設計開關驅動器，使設計變得復雜。一個足夠靈活、能夠支持電源瞬態故障測試的開關將是一個非常有用的測試工具。綜上所述，可以歸納出對這種開關的要求，包括最大額定電壓和額定電流，用來測試目前市場上多數中等功率的電源。
這種開關應該能夠處理100A的電流，承受至少75V的開路電壓。開關需要在兩個方向滿足電流、電壓的要求，因為一些測試會產生電流振鈴，有些電源電路需要雙極性輸出。開關的通、斷速度應該保持在幾十納秒以內，以便觀察電路的瞬態響應。開關的串聯電阻必須足夠低，串聯電感也必須非常低，這意味著需要采用緊湊的物理結構和非常短的電流路徑。此外，還要求開關提供電氣隔離，具有非常低的輸出對地電容。總之，對于開關的基本要求是當開關連接到電路時不會電路的性能和響應。
電路說明
圖1所示開關設計滿足上述多項指標的要求，它通過一個數字隔離耦合器實現，該耦合器的端到端電容小于1pf。總傳輸延時為80ns，輸出上升時間接近40ns。輸出級由兩個低RDSON的MOSFET構成，能夠處理雙極性200A、75V的電源瞬變。
開關元件(兩個反向連接的輸出MOSFET)具有7mΩ導通電阻和25nH導通電感。導通狀態下，對于雙向電流(包括零點)表現為線性電阻，類似于導線連接，不會引入諧波失真。
圖1. 該電路利用5V邏輯信號控制獨立的(隔離)功率開關Q1–Q2，能夠處理200A、75V的脈沖信號。
對于吸收電流大于50A的小阻值負載，開關上升時間(定義為瞬間導通)由導通電感決定。電流較低時，上升時間小于40ns，下降時間(瞬間關斷)主要由負載阻抗決定。
電路隔離側(開關)的電源由一組3節3V鋰離子原電池串聯而成(CR2025鋰錳電池)。對于幾kHz的開關頻率，標稱值為170mAh的這種電池能夠連續使用一個多月。對于常見的測試平臺，電池的使用壽命大概為3個月(左側始終連接)。
輸入為0V至5V的數字信號，只要求上升沿和下降沿時間小于20ns，最小脈寬為50ns (通或斷)。傳導電流小于18A時，開關處于不確定的通或斷狀態。
圖1中，IC1和IC2構成邊沿檢測電路，在T1原邊的一端施加窄脈沖，極性取決于輸入沿，另一側保持低電平。T1副邊連接了一個同相邏輯緩沖器(輸入到輸出)，由IC3雙通道低邊功率MOSFET驅動器中的一個通道構成。這個緩沖器如同一個雙穩態電路(即觸發器)，當T1原邊作用正脈沖時置位，作用負脈沖時復位。雙穩態電路輸出相當于電路輸入(作用在邊沿檢測電路的數字輸入)的拷貝。
IC3的另一半和IC4的兩路驅動器并聯，其輸入連接至雙穩態輸出，利用并聯輸出驅動兩個反向連接的低RDSON MOSFET (IRFB3077)的柵極，兩個MOSFET的漏極接外部電源，兩個柵極和兩個源極分別接在一起。三個驅動器并聯后可有效提高功率MOSFET的開關速度，因為IC2–IC3均分電流，每個驅動器可提供4A的峰值電流，并聯后總電流可以達到12A，MOSFET源極接電池負極。
MAX5048的輸入邏輯簡化了邊沿檢測電路的設計，MAX5054的低靜態電流有助于延長電池的使用壽命。因此，本設計中使用了類似但不相同的IC，分別用于低邊(控制和隔離，IC1、IC2)和高邊(功率驅動，IC3、IC4)驅動。
圖2給出了電源開關的等效電路，包括主要的寄生元件。對于整個供電電路，開關能夠承受的連續功率取決于散熱器。散熱器會顯著增大寄生輸出電容，本設計中沒有包括散熱器。處理200A脈沖電流時需要一些補充條件，必須將脈沖寬度限制在8ms以內，開關占空比限制在0.5%以內。對于80A的瞬態信號，脈沖時間不受限制，持續時間較長(達到50ms)，但占空比不得超過3%。
圖2. 該功率開關電路是圖1電路的等效架構，包含了主要寄生元件。
室溫下切換一個未經箝位的電感時，電路能夠吸收的能量是280mJ (單個脈沖，不重復出現)或200mJ (最大占空比為1%的脈沖)。
耦合變壓器設計要求小尺寸、低繞線電容：原邊一匝、副邊兩匝，繞制在Fair-Rite 7.5 x 7.5m的鐵氧體磁珠。變壓器結構決定了開關負載和開關控制電路兩側的最大壓差。使用普通的漆包線絕緣架構時，可以提供1kV隔離，如果使用聚四氟乙烯或質量更好的絕緣材料，則可提供1kV以上的隔離。對于要求更高隔離電壓的設計，還需考慮封裝。
T1的鐵氧體磁芯為導體，不能在同一時刻連接到開關兩側，開關內部沒有閉鎖保護，操作之前必須檢驗鋰電池的狀態。上電后沒有電路能夠保證開關處于確定的狀態(通或斷)。因此，在接通其它電源之前必須先打開開關電源。開關狀態由最先作用到輸入端的瞬態決定，在給其它部分供電時至少使開關通、斷一次。
測試電路
圖3–圖5中頂部波形為數字輸入，底部波形是通過一個0.25Ω電阻負載觀察到的5µs脈沖波形，負載通過開關接50V電源。因為電壓波形作用在一個低電感薄膜電阻，可近似表示開關的電流波形。圖3所示近似200A的脈沖波形給出了過沖和上升時間(60ns至80ns)，上升時間受高邊電流通道寄生電感、電容的影響。圖4給出了該脈沖的上升時間和導通延時；圖5給出了下降時間和斷開時的傳輸延時。圖6–圖8給出了同樣的波形，負載為5Ω，10A脈沖，電源電壓為50V。上升時延接近于MOSFET固有的30ns至40ns的上升時延，受封裝和源阻抗的限制。
圖3. 圖1測試結果，(1) 控制信號，(2) 在0.25Ω電阻兩端測試的5µs脈沖，電源電壓為50V。
圖4. 基于圖2的上升時間和導通傳輸延時，掃描速率為40ns/cm。
圖5. 基于圖2的下降時間和關斷傳輸延時，掃描速率為40ns/cm。
圖6. 圖1測試結果，(1) 控制信號，(2) 在5Ω電阻兩端測試的5µs脈沖，電源電壓為50V。
圖7. 基于圖6的上升時間和導通傳輸延時，掃描速率為40ns/cm。
圖8. 基于圖6的下降時間和關斷傳輸延時，掃描速率為40ns/cm。
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