本教程由三部分組成，介紹了用于測試大電流、低壓電源的高性能電子負載，第一部分描述了對特殊電子負載的需求，例如所需的特殊電氣特性。它還提供了“現(xiàn)成”測試設(shè)備和專門設(shè)計的負載電路之間的比較。

為什么臺式電子負載不足

現(xiàn)代 CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 的電力需求在幅度和性能上都在不斷增加。電源電流要求已上升到數(shù)百安培，電源帶寬需要高于100kHz，以滿足嚴(yán)格的瞬態(tài)響應(yīng)要求。與此同時，電源電壓呈下降趨勢，大多數(shù)內(nèi)核電壓現(xiàn)在低于1V，有些低至300mV。這些趨勢使得使用傳統(tǒng)的“臺式”電子負載來表征合適電源的性能變得越來越困難。

性能受阻性損耗和寄生電感的限制

市售電子負載將出色的精度與復(fù)雜的控制接口相結(jié)合，可以在高功率下吸收非常高的電流。Chroma 63600系列就是一個很好的例子。該系列提供幾種不同的型號，每種型號都針對不同的電壓、功率和電流范圍量身定制。裕量要求最低的型號是63640-80-80，它可以從400mV電源吸收約80A電流，如圖1所示。該工作點表明其可實現(xiàn)的最低電阻接近5mO。這些負載中的每一個都可以吸收高達 80A 的電流，限制為 400W。

圖1.Chroma 63600系列電壓和電流裕量特性。圖片由Chroma USA提供。

這是令人印象深刻的性能。但要測試 300A、0.8V 電源，必須至少并聯(lián)四個 63640-80-80 負載模塊，以實現(xiàn)低于 2.7mΩ 的有效導(dǎo)通電阻和處理總電流。Chroma 63600-5負載主機使我們能夠做到這一點，在一個機箱中組合多達五個負載模塊，并具有協(xié)調(diào)的控制和測量功能。

然而，盡管具有出色的規(guī)格，但臺式負載陣列的整體性能從根本上受到其與被測電源的電氣連接的限制。例如，圖2顯示了如何將大電流電源連接到一組電子負載進行測試。

銅和鋁“母線”導(dǎo)體用于連接，五個電子負載模塊并聯(lián)運行以處理電流和功率。不幸的是，這種測試設(shè)置的外形尺寸要求大電流導(dǎo)體跨越40cm或更長，并且該路徑長度在被測電源和負載模塊之間施加了顯著的電阻損耗。這種增加的電阻會削減負載處的電壓裕量，導(dǎo)體中的寄生電感LP為可實現(xiàn)的最大負載瞬態(tài)壓擺率設(shè)置了一個不可避免的上限。

dI/dt.MAX= V被測器/LP

令人煩惱的是，并聯(lián)組合的單個負載越多，測試設(shè)置就越大，因此，連接總線中產(chǎn)生的電阻和電感損耗就越多。顯然，需要更專業(yè)的電子負載解決方案來實現(xiàn)最高的壓擺率和最低的總電阻。

電子負載需要什么？

為了模擬被供電半導(dǎo)體器件的行為，我們需要具有以下所有特性的電子負載：

負載電流壓擺率（dI/dt）盡可能高（理想情況下，壓擺率也是可調(diào)的）

精確可調(diào)的負載電流

高功率耗散能力，包括峰值和連續(xù)

能夠以高保真度和寬帶寬監(jiān)控負載電流

為了在非常高的電流水平下測試低壓電源，電子負載必須具有超低的最小“導(dǎo)通電阻”。最后，電子負載必須設(shè)計為以最小的電阻和電感連接到被測電源，否則整體性能將受到互連本身的限制。

用于電源測試的電子負載選項

簡單的阻性負載

功率電阻器提供最簡單的負載之一。如果尺寸和冷卻正確，它可以滿足高功率耗散的要求，并且可以直接監(jiān)控電流（通過測量已知電阻兩端的電壓）。添加串聯(lián)開關(guān)可以產(chǎn)生負載瞬態(tài) - 但負載將完全打開或完全關(guān)閉 - 并且電流將取決于被測電壓。電流壓擺率既不受控制，也不可調(diào)。顯然，這不是一個可以適應(yīng)各種測試要求的靈活解決方案。

基于運算放大器的有源吸電流

為了提供可變負載和可控的電流擺率（負載電流上升和下降的速率），有必要圍繞運算放大器構(gòu)建有源吸電流電路。該電路的拓撲如圖3所示。運算放大器驅(qū)動功率 MOSFET 的柵極，以在檢測電阻兩端建立受控電壓。這導(dǎo)致負載電流受控，該電流從漏極流向 MOSFET 的源極，并通過檢測電阻流向地。功率MOSFET增加了電流增益，但不增加電壓增益，因為它用作共漏放大器，也稱為源極跟隨器。

圖3.基本有源吸電流電路。

該電路可通過低端檢測電阻的n溝道MOSFET或高端檢測電阻的p溝道MOSFET來實現(xiàn)。在后一種情況下，電路被更恰當(dāng)?shù)孛枋鰹?a target="_blank">電流源。無論哪種方式，檢測電阻都會增加一點負反饋，因為它連接在MOSFET的源極處，隨著電流的增加而減去柵源電壓，相反，隨著電流的減少，增加柵極驅(qū)動，這有助于穩(wěn)定性。

圖4顯示了采用n溝道MOSFET的有源吸電流電路的實際實現(xiàn)方案。該電路將圖3所示的簡單吸電流與差分放大器集成在一起。這種拓撲結(jié)構(gòu)通過考慮輸入信號 （SGND） 和檢測電阻 （GND） 低端之間的動態(tài)和靜態(tài)接地電位差異來提高精度。

圖4.詳細的吸電流電路。

該電路產(chǎn)生的負載電流與控制信號的電壓成正比（圖4中標(biāo)記為負載波形），增益由輸入和增益設(shè)置電阻之比設(shè)置。例如，利用疊加原理分析圖4的電路，我們看到電流跟隨輸入信號，按增益1/2和檢測電阻進行縮放。

負載電流 = （VS-GND）/R意義

VS= （負載波形） x （R/3R） x （1 + R/2R） – SGND x （R/2R） + GND x （2R/3R） x （1 + R/2R）

VS= （負載波形 - SGND） x （R/2R） + GND

VS– GND = （負載波形 – SGND） x （R/2R）

負載電流 = （負載波形 – SGND） x （1/2） / R意義

因此，檢測電阻參考于電源地，輸入信號參考于信號地。差動放大器配置將電源-接地和信號-地偏移對吸電流精度的不利影響降至最低。

與簡單的開關(guān)電阻相比，有源吸電流電路具有許多優(yōu)點。與簡單的電阻不同，有源吸電流可以產(chǎn)生從零安培到最大電流的可變負載電流。此外，由于負載電流由運算放大器以閉環(huán)方式控制，因此電流精確地跟蹤控制信號，因此有源電流吸收可以實現(xiàn)受控的電流擺率。最后，由于電路中存在固定值電阻元件，因此負載電流的精確高帶寬測量相對簡單。圖5顯示了添加第二個放大器來報告負載電流的一種方法;在這種情況下，配置為跨導(dǎo)放大器，以便對來自多個吸電流電路的電流測量信號進行輕松求和。

圖5.用于電流測量的跨導(dǎo)放大器。

結(jié)論

掌握了有源電子負載電路的基本原理后，成功設(shè)計的下一部分是元件選擇和電路布局。

審核編輯：郭婷