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克服动态负载带来的高电流脉冲的挑战

时间:03-18 来源:互联网 点击:

动态负载带来了电源领域最具挑战的几个问题。快速变化的电流或脉冲电流异常难控制,许多被测设备(DUTs,devices under test)都会为电源带来快速变化的电流或脉冲负载。

由电池供电的设备,如智能手机,设计师会应用电源管理技术优化运行时间。这里的电源管理算法会控制子系统的开关从而节省电量,但这种做法会造成电流快速变化。

一个GSM发射脉冲能在接近600μs宽度的发射脉冲时间里,达到0.15A/μs的边沿斜率。发射脉冲的快速边沿会导致电源输出电压在发射时出现下降,引发被测端的电压出现错误,随着脉冲不断出现,电压不稳的情况也会很多。

如果处理器很强大,操作电压会从3V降到不到1V,而随着电压下降,电流则上升,而电流上升加之处理器的高速运转,电流消耗也会急速变化。

再次说明,电源在对测试中的被测设备供电的时候,高速电流会导致输出电压下降。1V输出的时候,可能会下降数百毫伏,让测试失效,还可能带来电压不稳,从而导致整个系统停止运行。

寻找解决方法

通常用户都会找提供电源的厂商来解决问题。一定程度上有可能找到一家供应商,提供能适应快速变化电流的电源。但电流变化有多款,di/dt如何,才是关键因素。

对于GSM这样速度的脉冲,一款能维持电压输出、快速整流以减少电压下降的电源是有可能实现的。但有时候,电源无法快速响应,物理原因和电源与被测设备间导线的电感就成了问题所在。

V= L * di/dt的公式表示了导线中由于电感导致的电压下降。普通导线每英尺的电感接近0.1 μH,超低电感导线该数值为5-10nH。因此如果在1μs上升时间内有100A的电流变化穿过10nH的低电感导线,就会在导线上看到1V的电压降(图1),而且相反地,电压快速下降,就能看到电压由于导线导致的突升(也称作感应冲击)。


图1.改变电流会影响导线电感的压降

解耦电容器经常用来减小快速变化的电流从而减轻电压下降。但这些电容只能解决电源和电容器之间的问题。电容缓慢充电,在电流变化的期间维持电压,使得电源不会出现高di/dt。

然而在电容器和被测设备之间仍会有高di/dt。所以电容必须非常接近被测设备,解耦电容器和被测设备输入端之间的引线电感足够小,从而当快速变化的电容冲击电容器的时候(图2),能在电容和被测设备之间的短电流通道最大程度地减轻电压下降。


图2.高di/dt会在解耦电容器和被测设备之间流动,因此需要考虑导线电感

有时电容器还不太实际。足够容量降低di/dt的电容器通常体积很大,无法放在被测设备附近,特别是在微型化的电子产品中。如果需要测量被测设备的输入电流,可以尝试测量电源和电容器之间的电流,但看不到流进被测设备的电流如何。实际上这是为什么先放置电容器的原因。

随后还要测量电容和被测设备之间的电流。但普通的电流传感器,如电流探测器或分流器都要另加入额外长度的引线。此外,外加引线的电感也会是造成电压下降的原因。

因此为了控制高电流脉冲应该:

使用低电感的导线

在电源和被测设备中使用导线的时候,绑紧或者拧住征服输出引线,以减少导线之间的回路面积,从而减少电感。

避免管脚之间距离很开的大型连接器。这些距离将增加引脚之间的面积,从而增加电感。

大电容尽可能靠近被测设备,考虑到允许的空间,假设电容器不会干扰被测设备的测量或运行。

用高质量的,耐受快速电压变化的电源。专为此目的设计的电源通常称为"动态电源"、"脉冲负载电源"或者"高速电源"。

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