如何为ATE应用创建具有拉电流和灌电流功能的双输出电压轨

作者：Jhun Rennel Sanchez，产品应用工程师和Anthony Serquiña，高级应用开发工程师

摘要

本文详细介绍一种创建双输出电压轨的方法，该方法能为设备电源(DPS)提供正负电压轨，并且只需要一个双向电源。传统的设备电源供电方法使用两个双向（拉电流和灌电流能力）电源，一个为正电压轨供电，一个为负电压轨供电。这种配置不但笨重，且成本高昂。

简介

DPS一般与自动测试设备(ATE)和其他测量设备搭配使用。ATE是一种电脑控制机械设备，自动驱动传统的手动电子测试设备来评估功能、质量、性能和应力测试。这些ATE需要配套的DPS提供四象限电源运行能力。DPS是一种四象限电源，可以提供正电压或负电压，同时具备拉电流和灌电流能力。要使用DPS为更大电流的应用供电，需要将多个DPS设备组合在一起，以提高解决方案的电流容量。DPS可以提供拉电流和获取灌电流，所以DPS的电源必须具备同样的功能。采用双输出电压轨设计旨在将所需的双向电源的数量减少至一个，同时仍然为DPS提供正负双向电源。构建双向正电源非常简单，可以使用市面上提供拉电流和灌电流的多种IC实现。问题在于根据受测设备(DUT)的要求，负电源也需要具有拉电流和灌电流能力。一种解决方案是使用双向降压IC，该IC可以配置用作反相降压-升压转换器。例如LTC3871，这是一个双向降压或升压控制器，可用于正电压轨和负电压轨。

使用降压IC设计反相降压-升压转换器

图1显示了降压转换器的简化原理示意图。该转换器获取正电压输入，然后输出幅度更低的正电压。图2显示了一个反相降压-升压转换器，它获取正电压输出，然后输出幅度更小或更大的负电压。如图3所示，可以按照以下步骤，将降压拓扑转换为反相降压-升压拓扑：

►将降压转换器的正电压输出转换为系统地
►将降压转换器的系统地转换为负电压输出节点
►在降压转换器的V_IN和正电压输出之间施加输入电压

图4显示了将降压IC转换为反相降压-升压配置的简化原理图。

图1.降压转换器。


图2.反相降压-升压转换器。


图3.将降压转换器转换为反相降压-升压配置。


图4.反相降压-升压拓扑中使用的降压IC。

转换降压IC的工作原理

拉电流

图5显示反相降压-升压转换器的波形，以及提供拉电流时的电流路径。图5a显示控制MOSFET导通时转换器中的电流流动。图5c显示控制MOSFET中的电流流动，其平均值为输入电流。在这段时间内，电感开始储存电能，使电流升高，输出电容为负载供电。在此期间，电感电压等于输入电压。

当control MOSFET关断后，sync MOSFET导通，图5b显示sync MOSFET中的电流流动。输出电流是sync MOSFET的平均电流，电感电压等于输出电压。当电感开始为负载和电容器供电时，其电流开始下降。每个开关周期都如此重复。

转换器反馈控制脉宽调制(PWM)，将输出电压调节至分压电阻设置的所需电平。公式1显示了输出电压与输入电压之间的关系。

其中

►V_OUT =输出电压
►V_IN =输入电压
►D =占空比
►η = 系统效率

占空比大于50%时，输出电压大于输入电压，占空比小于50%时，输出电压小于输入电压。

灌电流

转换器开始获取灌电流时，电流从输出流向输入，如图6a和6b所示。图6c和6d分别显示了电流流经控制MOSFET和sync MOSFET的过程。由于转换器正在获取灌电流，所以负电流会流经MOSFET。测试结果部分显示了获取灌电流期间的负电感电流。

测试结果

图7显示用于测试设计的拉灌电流和灌拉电流能力的实际设置。图8显示了该设置的框图。双向直流电源用作V_POS的电源，处于CV模式。另一个直流电源连接至V_NEG的输出。此直流电源控制流入系统的电流量。阻塞二极管与该直流电源串联，确保转换器提供拉电流时不会有电流流入转换器。电子负载用作初始负载，以表明系统能够从提供拉电流转换为获取灌电流，反之亦然。

图5.(a)导通期间的电流流动，(b)关断期间的电流流动，(c)流经顶部/控制MOSFET的电流，(d)流经底部/sync MOSFET的电流，(e)电感电压。



图6.(a)导通期间的电流流动，(b)关断期间的电流流动，(c)流经顶部/控制MOSFET的电流，(d)流经底部/sync MOSFET的电流。


图7.用于进行拉灌电流测试的电路板设置。


图8.该测试板电路设置的框图。

捕捉到的波形如图9所示。直流电源开启后，V_NEG电压轨开始获取灌电流。从电感电流波形可以看出，它从正电流转为负电流。在V_NEG获取灌电流时，系统在此条件下保持开环，拉灌电流由外部直流电源的CC模式控制。图10所示的V_POS也是如此。连接至其输出的直流电电源开启后，V_POS电压轨开始获取灌电流。

图9.V_NEG拉电流向灌电流转变（+1 A至–20 A）。


图10.V_POS拉电流向灌电流转变（+1 A至–20 A）。

捕捉到的波形如图11所示，展示了系统从拉电流向灌电流转变的行为。从电感电流可以看出，它从负电流转为正电流。这表明停止向V_NEG施加DC电压之后，电流重新转变为拉电流。图12所示的V_POS电源轨也是如此。

图11.V_NEG灌电流向拉电流转变（-20 A至+1 A）。


图12.V_POS灌电流向拉电流转变（-20 A至+1 A）。

结论

双输出电压轨能够进行V_POS和V_NEG双向供电，所以减少了所需的设备数量。因为灌入一个电源轨的电流可用于为另一个电源轨供电，使得主电源拉取的电流减少，所以其效率更高。该设计还有另一个优势，即在设计双向反相降压-升压转换器时，可供选择的IC会更多。

参考资料

Matthew Kessler。“AN-1083（版本A）：利用开关稳压器ADP2300和ADP2301设计反相降压-升压转换器。”（ADI公司，2010年）

Ricky Yang。“AN-1168（版本0）：采用ADP2384/ADP2386同步降压DC-DC稳压器设计反相电源。”（ADI公司，2012年）

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2022财年收入超过120亿美元，全球员工2.4万余人。携手全球12.5万家客户，ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

关于作者

Jhun Rennel Sanchez于2020年11月加入ADI公司。2018年，他毕业于布拉卡国立大学，获电子工程学士学位。此外，2020年获得马普阿大学电力电子学位。

Anthony Serquiña是ADI菲律宾公司的高级应用开发工程师。他毕业于菲律宾碧瑶市圣路易斯大学，获电子和通信工程学士学位。他在电力电子领域拥有超过14年的经验，包括电源管理IC开发以及AC-DC和DC-DC前端电源转换。他于2018年11月加入ADI公司，目前负责支持工业应用的电源管理需求。他曾在ADI信号链电源(SCP)硬件和软件平台的开发中发挥了重要作用。