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測試與量測 Share print

以功率暫態緩衝測試IC和普通電路

2015年03月16日  | Carmen Parisi

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如果沒有專業設備,測試和測量積體電路(IC)或普通電路的功率暫態(power transients)性能會變得相當棘手。不但需要在可控條件下改變輸入電壓源,而且還必須能夠引發足夠的電流來轉換輸入電容並為受測電路充電。


要想產生正線路暫態(positive line transient)(例如4V~12V)的一種相對簡單的方法就是,使用幾個二極體在兩個電源間切換。問題在於,這種方法雖然簡單,但卻無法控制輸入電壓的變化率(dV/dt)。而要獲得負線路暫態(negative line transient)則困難得多,這是因為多數臺式(benchtop)電源都無法從電容器中吸收電流,也就無法將電壓由正轉負。至於在電容器上方懸掛電流源,從而在負轉換時從電容器中吸收電流並在不損壞電源的條件下恰當地接入電源,也是說來容易做來難。然而,如果應用要求脈衝式輸入電壓或同時要求正負線路暫態,那麼上述方法無一可行。


前不久,筆者在測試新積體電路內置的輸入過壓(OV)和欠壓(UV)保護特性時正好遇到這種情況。為了證明這些特性的功能,需要非常精確的V IN波形。如果V IN高於OV或低於UV閾值的時間超出資料手冊規定的限定時間,晶片應停機並重啟。但是,如果輸入到積體電路的電壓恢復並在資料手冊規定的限定時間內回到閾值範圍內,則部件可以繼續正常工作而無需重啟。測試OV和UV停機特性很容易,但是由於無法快速實現輸入電壓的上下轉換,使用一些慣用法測試電路的自動重定功能行不通。鑒於重定時間約為幾十微秒,而且需要在為積體電路本身充電的同時轉換20μF的輸入去耦電容,因此僅靠函數產生器是絕無可能的。


我嘗試利用與電源串聯的函數產生器找出一項解決方案,經歷幾次失敗後,我想出了如圖1所示的電路結構。該電路本身是對多種嘗試進行修正而歸納出的最有效的產物。簡而言之,所需的電壓暫態通過函數產生器創造並利用大功率運算放大器進行緩衝,從而在評估電路板上驅動20μF的電容。


圖1	線路暫態測試裝置示意圖
圖1 線路暫態測試裝置示意圖。

該電路的核心是一顆Burr-Brown/德州儀器的OPA2544T放大器,它能夠在±35V電源條件下工作,並且在採取了適合的預防措施的條件下可以輸出高達6A的電流。儘管此一應用並不需要如此大的功率,但是選擇功能大於即時需求的放大器有助於建構更加通用的測試夾具。完成驗證後,就可以使用該電路測試多種不同的調壓器(regulator)、電池充電器及其他擁有大範圍輸入電容的電路。


為了防止函數產生器再創(recreate)快速脈衝時產生過度的振鈴效應,可在運算放大器輸出與V IN之間放置一個0.1Ω的電阻器。當負載電容較大時,該電阻器也可在很寬的頻率範圍內作為電路的輸出阻抗,如此處所示(參考文獻1)。通過為電路增加電阻增益(R GAIN),還可產生函數產生器電壓範圍(此處為±10V)之外的電壓暫態。此處建議將一個最小電阻器與RGAIN電位計串聯,從而防止因電位計設置不當而導致輸出飽和。


圖2	原型設計電路
圖2 原型設計電路。

圖2給出的是原型設計電路,其中的銅箔板上有筆刀劃痕,電路中還包含了我手邊所有的被動元件。在概念驗證測試過程中使用了替代電路板,還有同樣的10μF輸入電容器,就像安裝在第二塊銅箔板上的真正應用一樣。由於受測晶片吸收的功率值可以忽略不計,因而在此階段不予考慮。我特意儘量減少來自函數產生器及暫態電路與輸入電容器之間的電感(注意左邊被切斷的BNC線以及底部的銅帶)。通過兩個並聯的0.2Ω功率電阻器產生0.1Ω的電阻,確保沒有任何輸出攜帶高電流。在探索電路性能的過程中,我發現在某些轉換條件下,電路會稍有發熱現象,因此,如果以此製成電路板,則最好增加散熱器配置。另外一點就是,我發現當運算放大器上相對於最高或最低預期電壓的供應餘量為6V以上時,能夠達到最佳性能。


圖3	提供直流電壓
圖3 提供直流電壓。

圖4圖5顯示了該暫態電路在小而快的線路步進及大而慢的暫態中的性能。儘管對於高速暫態來說不夠完美,但該原型設計電路在測試積體電路自動重定功能方面已是綽綽有餘。任一邊沿均無振鈴發生,表示晶片中未發生假觸發事件。這樣一來,我就可以趕在最後期限前及時完成所需的驗證。當通過函數產生器再創更大、更慢的波形時,結果更加理想,儘管系統存在略微過阻尼(over-damped)現象,但卻是處在一種穩定的狀態。


圖4	小而快的邊沿暫態結果
圖4 小而快的邊沿暫態結果。

圖5	大而慢的邊沿暫態結果
圖5 大而慢的邊沿暫態結果。

通過利用函數產生器的多種波形選擇,能夠以可控制、可重複的方式複製終端應用中可能發生的任何線路暫態,不論是簡單級別的變化還是更加複雜的有害電湧。只要採取適當預防措施保護放大器和受測電路板,通過上述簡單的電路即可實現更加完善的驗證過程,並在產品週期早期及時發現所有相關缺陷。



參考文獻

1. Fortunato, Mark. "Simulation Shows How Real Op Amps Can Drive Capacitive Loads", EDN, April 28, 2013.




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