Как создать двуполярный источник питания для автоматического тестового оборудования

Аннотация

В этой статье подробно описан метод создания источника двуполярного питания для тестируемого устройства (device power supply, DPS) на основе одного двунаправленного источника питания. В традиционном методе питания устройств используются два двунаправленных источника питания (обеспечивающих втекающий и вытекающий токи), – один для положительной шины, а другой для отрицательной шины. Такая конструкция громоздка и дорога.

Введение

DPS используются в составе автоматического испытательного оборудования (automatic test equipment, ATE) и других измерительных приборов. ATE – это компьютеризированное оборудование, автоматизирующее традиционное ручное электронное тестовое оборудование для оценки функциональности, качества, характеристик и стресс-тестов. Для этих ATE требуется четырехквадрантный режим работы DPS. DPS – это четырехквадрантный источник питания, который может отдавать и поглощать ток при положительном или отрицательном напряжении. Чтобы иметь возможность использования DPS в более сильноточных приложениях, решение объединяет несколько устройств DPS для увеличения их допустимого тока. Поскольку DPS может как потреблять, так и отдавать ток, источник питания для него должен обладать такими же возможностями. Шина с двумя выходными напряжениями разработана для того, чтобы сократить количество необходимых двунаправленных источников питания до одного при сохранении возможности обеспечения DPS как втекающим, так и вытекающим током. Создать двунаправленный положительный источник питания несложно, поскольку существует множество доступных интегральных схем, которые могут отдавать и принимать ток. Проблема заключается в том, что отрицательный источник питания также должен отдавать и поглощать ток, как того требует тестируемое устройство (device under test, DUT). Одним из решений является использование микросхемы двунаправленного понижающего преобразователя, которую можно сконфигурировать для работы в качестве инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя. Примером может служить микросхема LTC3871, которую можно использовать как для положительной, так и для отрицательной шины, поскольку она представляет собой двунаправленный понижающий или повышающий контроллер.

Разработка инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя с использованием понижающей микросхемы

Рисунок 1.	Понижающий преобразователь.

На Рисунке 1 показана упрощенная принципиальная схема понижающего преобразователя. Он принимает положительное входное напряжение и выдает положительное выходное напряжение меньшей величины. На Рисунке 2 показан инвертирующий повышающе-понижающий преобразователь, который принимает положительное входное напряжение и выдает отрицательное выходное напряжение с меньшим или бóльшим абсолютным значением. Как видно из Рисунка 3, понижающую топологию можно преобразовать в инвертирующую повышающе-понижающую топологию, выполнив следующее:

• Сделать выход положительного напряжения понижающего преобразователя землей системы.
• Преобразовать системную землю понижающего преобразователя в узел отрицательного выходного напряжения.
• Подать входное напряжение между V_IN и выходом положительного напряжения понижающего преобразователя.

Рисунок 2.	Инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь.

Рисунок 3.	Превращение понижающего преобразователя в инвертирующую понижающе-повышающую конфигурацию.

На Рисунке 4 показана упрощенная схема преобразования, позволяющего использовать понижающую микросхему в инвертирующей повышающе-понижающей конфигурации.

Рисунок 4.	Микросхема понижающего преобразователя, используемая в инвертирующей понижающе-повышающей топологи.

Как работает интегральная схема понижающего преобразователя в измененном включении

Режим вытекающего тока

На Рисунке 5 показаны формы напряжений инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя и токи в режиме вытекающего тока. На Рисунке 5а показан ток, протекающий через преобразователь, когда управляющий MOSFET включен. На Рисунке 5в показан ток, протекающий через управляющий MOSFET, среднее значение которого является входным током. В течение этого времени дроссель начинает накапливать энергию, увеличивая ток, пока выходной конденсатор питает нагрузку. В этот период напряжение на дросселе равно входному напряжению.

Когда управляющий MOSFET выключен, MOSFET синхронного выпрямителя включается, и через него протекает ток, показанный на Рисунке 5б. Выходной ток представляет собой средний ток синхронного MOSFET, а напряжение на дросселе равно выходному напряжению. Поскольку в это время дроссель питает нагрузку и конденсатор, его ток начинает спадать. Это будет повторяться в каждом цикле переключения.

Рисунок 5.	(а) – Ток во время включения, (б) – ток во время выключения, (в) – ток через верхний управляющий MOSFET (ICTR), (г) – ток через нижний MOSFET синхронного выпрямителя (ISYNC) и (д) – напряжение на дросселе.

Обратная связь преобразователя управляет широтно-импульсным модулятором (ШИМ) для стабилизации выходного напряжения на требуемом уровне, который задается резисторами делителя напряжения. Зависимость между выходным и входным напряжением показывает формула (1).

(1)

где

V_OUT – выходное напряжение,
V_IN – входное напряжение,
D – коэффициент заполнения,
η – КПД системы.

Выходное напряжение больше входного, когда коэффициент заполнения превышает 50%, и меньше входного напряжения, когда коэффициент заполнения меньше 50%.

Режим втекающего тока

Когда преобразователь начинает потреблять ток, ток течет от выхода к входу, как показано на Рисунках 6а и 6б. Токи, протекающие через управляющий MOSFET и MOSFET синхронного выпрямителя, показаны на Рисунках 6в и 6г, соответственно. Поскольку преобразователь потребляет ток, через оба MOSFET протекает отрицательный ток. В следующем разделе показан отрицательный ток дросселя во время потребления тока.

Рисунок 6.	(а) – Ток во время включения, (б) – ток во время выключения, (в) – ток через верхний управляющий MOSFET (ICTR) и (г) – ток через нижний MOSFET синхронного выпрямителя (ISYNC).

Результаты испытаний

Рисунок 7.	Установка для проверки втекающего/вытекающего тока.

На Рисунке 7 показана реальная тестовая установка для проверки возможностей схемы источник–приемник и приемник–источник тока. На Рисунке 8 показана блок-схема установки. Двунаправленный источник постоянного тока служит источником питания V_POS и находится в режиме стабилизации напряжения (CV). Другой источник постоянного тока подключен к выходу V_NEG. Этот источник постоянного тока контролирует величину тока, поступающего в систему. Последовательно с этим источником подключен блокировочный диод, чтобы гарантировать, что ток не потечет в него, когда преобразователь выдает ток. Электронная нагрузка используется в качестве начальной нагрузки, чтобы показать, что система способна переходить от отдачи тока к поглощению и наоборот.

Рисунок 8.	Блок-схема тестовой установки.

Рисунок 9.	Напряжение VNEG при переходе от вытекающего тока к втекающему (от +1 А к –20 А).

Снятые осциллограммы показаны на Рисунке 9. При включении источника постоянного тока шина V_NEG начинает потреблять ток. Как видно из осциллограммы тока дросселя, в нем происходит смена направления тока от положительного к отрицательному. Когда вывод V_NEG потребляет ток, в этом состоянии петля обратной связи системы разомкнута, и вытекающий-втекающий ток контролируется внешним источником, работающим в режиме стабилизации тока (CC). Это также справедливо для V_POS на Рисунке 10. Когда источник постоянного тока, подключенный к его выходу, включается, шина V_POS начинает потреблять ток.

Рисунок 10.	Напряжение VPOS при переходе от вытекающего тока к втекающему (от +1 А к –20 А).

Рисунок 11.	Напряжение VNEG при переходе от втекающего тока к вытекающему (от –20 А к +1 А).

Осциллограммы, показанные на Рисунке 11, иллюстрируют переход от втекающего тока к вытекающему. Как видно из осциллограммы тока дросселя, его направление меняется от отрицательного к положительному. Это указывает на возврат к режиму источника тока после снятия постоянного напряжения, подаваемого на V_NEG. Это также справедливо для шины V_POS, показанной на Рисунке 12.

Рисунок 12.	Напряжение VPOS при переходе от втекающего тока к вытекающему (от –20 А к +1 А).

Заключение

Источник двуполярного питания сокращает количество необходимого оборудования, так как он уже поддерживает режим двунаправленного тока как по шине V_POS, так и по V_NEG. Она также более эффективна, поскольку ток, протекающий по одной шине, используется для питания другой шины, уменьшая ток, забираемый от основного источника питания. Дополнительным преимуществом преобразователя является то, что он обеспечивает более широкий выбор микросхем, используемых при разработке двунаправленного инвертирующего понижающе-повышающего преобразователя.

Ссылки

1. Kessler, Matthew. “AN-1083 (Rev. A): Designing an Inverting Buck Boost Using the ADP2300 and ADP2301 Switching Regulators.” Analog Devices, Inc., 2010.
2. Yang, Ricky. “AN-1168 (Rev. 0): Designing an Inverting Power Supply Using the ADP2384/ADP2386 Synchronous Step-Down DC-to-DC Regulators.” Analog Devices, Inc., 2012.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LTC3871