如何为ATE应用创建具有拉电流和灌电流功能的双路输出电压轨

Jhun Rennel Sanchez and Anthony Serquina

本文详细介绍了一种生成双输出电压轨的方法，该方法为器件电源 （DPS） 提供正负轨，同时只需要一个双向电源。为设备电源供电的传统方法使用两个双向（拉电流和灌电流能力）电源，一个用于正电源轨，一个用于负电源轨。此设置体积庞大且成本高昂。

介绍

DPS 与自动测试设备 （ATE） 和其他测量设备一起使用。ATE是计算机化的机械，可自动执行传统的手动电子测试设备，以评估功能，质量，性能和压力测试。这些 ATE 需要对其 DPS 进行四象限操作。DPS 是一种四象限电源，可以在具有正电压或负电压的同时供应和吸收电流。为了将DPS用于更高电流的应用，该解决方案将联合多个DPS器件以提高其电流能力。由于DPS既可以吸收电流，也可以提供电流，因此DPS的电源必须具有相同的功能。开发双输出电压轨是为了将所需的双向电源数量减少到一个，同时仍为 DPS 提供正向和负双向电源。制作双向正电源非常简单，因为有许多可用的集成电路（IC）可以供应和吸收电流。问题在于，负电源也需要根据被测器件（DUT）的要求来源出和吸收电流。一种解决方案是使用具有双向功能的降压IC，该IC可配置为用作反相降压-升压转换器。LTC3871 就是一个例子，它既可用于正电源轨，也可用于负电源轨，因为它是一款双向降压或升压控制器。

利用降压IC设计反相降压-升压转换器

图1所示为降压转换器的简化原理图。它接受正输入，并以较低的幅度输出正输出。图2所示为反相降压-升压转换器，该转换器采用正输出并输出更低或更高的负幅度。如图3所示，通过执行以下操作，可以将降压拓扑转换为反相降压-升压拓扑：

将降压转换器的正输出转换为系统地

将降压转换器的系统地转换为负输出节点

在 V 之间施加输入电压在和降压转换器的正输出

图4显示了如何将降压IC转换为反相降压-升压配置的简化原理图。

图1.降压转换器。

图2.反相降压-升压转换器。

图3.将降压转换器转换为反相降压-升压配置。

图4.用于反相降压-升压拓扑的降压IC。

转换后的降压IC的工作原理

采购电流

图5显示了反相降压-升压转换器的波形以及拉电流时的电流。图5a显示了控制MOSFET导通时整个转换器的电流。图5c显示了流过控制MOSFET的电流，其平均值是输入电流。在此期间，电感开始存储能量，在输出电容为负载供电的同时斜坡上升电流。电感电压等于此周期的输入电压。

当控制MOSFET关断时，同步MOSFET导通，图5b显示了流经它的电流。输出电流是同步MOSFET的平均电流，电感电压等于输出电压。当电感器为负载和电容器供电时，其电流开始下降。这将重复每个开关周期。

转换器的反馈控制脉宽调制（PWM），以将输出电压调节到所需电平，该电平由分压器电阻器设置。公式1显示了输出电压和输入电压之间的关系。

其中

V外= 输出电压

V在= 输入电压

D = 占空比

η = 系统效率

占空比大于50%时输出电压大于输入电压，占空比小于50%时输出电压小于输入电压。

图5.（a） 导通时间期间的电流，（b） 关断时间的电流，（c） 通过顶部/控制 MOSFET 的电流，（d） 通过机器人/同步 MOSFET 的电流，以及 （e） 电感器电压。

沉电流

当转换器开始吸收电流时，电流从输出流向输入，如图6a和6b所示。流过控制和同步MOSFET的电流分别如图6c和6d所示。由于转换器正在吸收电流，因此可以看到负电流流过MOSFET。测试结果部分显示了灌电流期间的负电感电流。

图6.（a） 导通时间期间的电流，（b） 关断时间期间的电流，（c） 流过顶部/控制 MOSFET 的电流，以及 （d） 流经机器人/同步 MOSFET 的电流。

测试结果

图7显示了用于测试设计的源-灌和灌-源能力的实际测试设置。图 8 显示了该设置的框图。双向直流电源充当 V 的电源收银机并且处于 CV 模式。另一个直流电源连接到 V 的输出内格.该直流电源控制沉入系统的电流量。阻断二极管与该直流电源串联，以确保转换器提供电流时没有电流流入其中。电荷载用作初始荷载，以表明系统能够从源向下沉过渡，反之亦然。

图7.用于源-接收器测试的电路板设置。

图8.设置的框图。

捕获的波形如图9所示。当直流电源接通时，VNEG 电源轨开始吸收电流。从电感电流波形可以看出，它从正电流过渡到负电流。当VNEG灌电流时，系统在此条件下处于开环状态，源-灌电流由外部直流电源的CC模式控制。图 10 中的 VPOS 也是如此。当连接到其输出的直流电源打开时，VPOS 轨开始吸收电流。

图9.VNEG 源到灌电流的转换（+1 A 至 –20 A）。
 

图 10.VPOS 源到灌电流的转换（+1 A 至 –20 A）。
图11中捕获并显示的波形是系统的源到灌转换行为。从电感电流可以看出，它从负电流过渡到正电流。这表示当VNEG两端注入的直流电压被移除时，转换回源电流。对于图 12 所示的 VPOS 电源轨也是如此。

图 11.VNEG灌电流到源极的转换（–20 A至+1 A）。
 

图 12.VPOS 灌电流到源极的转换（–20 A 至 +1 A）。
结论
双输出电压轨减少了所需的设备，因为它已经在VPOS和VNEG上具有双向能力。当一个电源轨上沉入的电流用于为另一个电源轨供电时，效率也更高，从而减少了主电源供电的电流。该转换器的另一个优点是，在设计双向反相降压-升压转换器时，它允许更多的IC选择。

审核编辑：郭婷