如何為ATE應用創建具有拉電流和灌電流功能的雙輸出電壓軌

本文詳細介紹一種創建雙輸出電壓軌的方法，該方法能為設備電源(DPS)提供正負電壓軌，并且只需要一個雙向電源。傳統的設備電源供電方法使用兩個雙向（拉電流和灌電流能力）電源，一個為正電壓軌供電，一個為負電壓軌供電。這種配置不但笨重，且成本高昂。

DPS一般與自動測試設備(ATE)和其他測量設備搭配使用。ATE是一種電腦控制機械設備，自動驅動傳統的手動電子測試設備來評估功能、質量、性能和應力測試。這些ATE需要配套的DPS提供四象限電源運行能力。DPS是一種四象限電源，可以提供正電壓或負電壓，同時具備拉電流和灌電流能力。要使用DPS為更大電流的應用供電，需要將多個DPS設備組合在一起，以提高解決方案的電流容量。DPS可以提供拉電流和獲取灌電流，所以DPS的電源必須具備同樣的功能。采用雙輸出電壓軌設計旨在將所需的雙向電源的數量減少至一個，同時仍然為DPS提供正負雙向電源。構建雙向正電源非常簡單，可以使用市面上提供拉電流和灌電流的多種IC實現。問題在于根據受測設備(DUT)的要求，負電源也需要具有拉電流和灌電流能力。一種解決方案是使用雙向降壓IC，該IC可以配置用作反相降壓-升壓轉換器。例如 LTC3871，這是一個雙向降壓或升壓控制器，可用于正電壓軌和負電壓軌。

1 使用降壓IC設計反相降壓-升壓轉換器

圖1顯示了降壓轉換器的簡化原理示意圖。該轉換器獲取正電壓輸入，然后輸出幅度更低的正電壓。圖2顯示了一個反相降壓-升壓轉換器，它獲取正電壓輸出，然后輸出幅度更小或更大的負電壓。如圖3所示，可以按照以下步驟，將降壓拓撲轉換為反相降壓-升壓拓撲：

將降壓轉換器的正電壓輸出轉換為系統地

將降壓轉換器的系統地轉換為負電壓輸出節點

在降壓轉換器的VIN和正電壓輸出之間施加輸入電壓

圖4顯示了將降壓IC轉換為反相降壓-升壓配置的簡化原理圖。

圖1.降壓轉換器。

圖2.反相降壓-升壓轉換器。

圖3.將降壓轉換器轉換為反相降壓-升壓配置。

圖4.反相降壓-升壓拓撲中使用的降壓IC。

2 轉換降壓IC的工作原理

拉電流

圖5顯示反相降壓-升壓轉換器的波形，以及提供拉電流時的電流路徑。圖5a顯示控制MOSFET導通時轉換器中的電流流動。圖5c顯示控制MOSFET中的電流流動，其平均值為輸入電流。在這段時間內，電感開始儲存電能，使電流升高，輸出電容為負載供電。在此期間，電感電壓等于輸入電壓。

當control MOSFET關斷后，sync MOSFET導通，圖5b顯示sync MOSFET中的電流流動。輸出電流是sync MOSFET的平均電流，電感電壓等于輸出電壓。當電感開始為負載和電容器供電時，其電流開始下降。每個開關周期都如此重復。

轉換器反饋控制脈寬調制(PWM)，將輸出電壓調節至分壓電阻設置的所需電平。公式1顯示了輸出電壓與輸入電壓之間的關系。

其中

VOUT=輸出電壓

VIN=輸入電壓

D =占空比

η = 系統效率

占空比大于50%時，輸出電壓大于輸入電壓，占空比小于50%時，輸出電壓小于輸入電壓。

圖5.(a)導通期間的電流流動，(b)關斷期間的電流流動，(c)流經頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經底部/sync MOSFET的電流，(e)電感電壓。

灌電流

轉換器開始獲取灌電流時，電流從輸出流向輸入，如圖6a和6b所示。圖6c和6d分別顯示了電流流經控制MOSFET和sync MOSFET的過程。由于轉換器正在獲取灌電流，所以負電流會流經MOSFET。測試結果部分顯示了獲取灌電流期間的負電感電流。

圖6.(a)導通期間的電流流動，(b)關斷期間的電流流動，(c)流經頂部/控制MOSFET的電流，(d)流經底部/sync MOSFET的電流。

3 測試結果

圖7顯示用于測試設計的拉灌電流和灌拉電流能力的實際設置。圖8顯示了該設置的框圖。雙向直流電源用作VPOS的電源，處于CV模式。另一個直流電源連接至VNEG的輸出。此直流電源控制流入系統的電流量。阻塞二極管與該直流電源串聯，確保轉換器提供拉電流時不會有電流流入轉換器。電子負載用作初始負載，以表明系統能夠從提供拉電流轉換為獲取灌電流，反之亦然。

圖7.用于進行拉灌電流測試的電路板設置。

圖8.該測試板電路設置的框圖。

捕捉到的波形如圖9所示。直流電源開啟后，VNEG電壓軌開始獲取灌電流。從電感電流波形可以看出，它從正電流轉為負電流。在VNEG獲取灌電流時，系統在此條件下保持開環，拉灌電流由外部直流電源的CC模式控制。圖10所示的VPOS也是如此。連接至其輸出的直流電電源開啟后，VPOS電壓軌開始獲取灌電流。

圖9.VNEG拉電流向灌電流轉變（+1 A至–20 A）。

圖10.VPOS拉電流向灌電流轉變（+1 A至–20 A）。

捕捉到的波形如圖11所示，展示了系統從拉電流向灌電流轉變的行為。從電感電流可以看出，它從負電流轉為正電流。這表明停止向VNEG施加DC電壓之后，電流重新轉變為拉電流。圖12所示的VPOS電源軌也是如此。

圖11.VNEG灌電流向拉電流轉變（-20 A至+1 A）。

圖12.VPOS灌電流向拉電流轉變（-20 A至+1 A）。

4 結論

雙輸出電壓軌能夠進行VPOS和VNEG雙向供電，所以減少了所需的設備數量。因為灌入一個電源軌的電流可用于為另一個電源軌供電，使得主電源拉取的電流減少，所以其效率更高。該設計還有另一個優勢，即在設計雙向反相降壓-升壓轉換器時，可供選擇的IC會更多。

審核編輯：湯梓紅