Мощный буфер для тестирования схем в переходных режимах

Контроль и измерение характеристик микросхем или схем при воздействии переходных помех по цепям питания – сложная задача, которую невозможно решить без какого-либо специализированного оборудования. Мало того, что входное напряжение должно регулироваться контролируемым образом, необходимо еще обеспечить достаточный ток, поддерживающий нужную скорость изменения напряжения и питание тестируемых схем.

Вебинар «Решения MORNSUN для промышленных применений: от микросхем до ИП на DIN-рейку» (материалы вебинара)

Один из способов относительно простого формирования положительных скачков в линии питания, например, от 4 В до 12 В, заключается в использовании пары диодов для переключения между двумя источниками питания. Несмотря на простоту, этот метод не позволяет контролировать dV/dt входного напряжения. Гораздо сложнее получить на линии питания отрицательные перепады, поскольку многие лабораторные источники питания не могут потреблять ток от конденсаторов, чтобы обеспечить спад напряжения. Подключить источник тока параллельно конденсаторам, чтобы забирать от них ток во время отрицательного перепада и правильно включать источники питания, не повреждая их, – это то, что легче захотеть, чем сделать. При этом если приложению требуется импульсное входное напряжение или как положительные, так и отрицательные перепады на линии питания, ни один из этих методов работать не будет.

Не так давно я оказался именно в такой ситуации, когда тестировал новую микросхему со встроенной защитой от входного перенапряжения (over-voltage, OV) и пониженного напряжения (under-voltage, UV). Для подтверждения работы этих функций требовались сигналы VIN очень специфической формы. Если уровень напряжения VIN находится выше порога OV или ниже порога UV в течение времени, превышающего время, указанное в техническом описании, микросхема должна отключиться и потребовать перезапуска. Однако если в течение этого времени входное напряжение микросхемы восстановилось и вернулось в допустимые пределы, микросхема должна продолжать нормально функционировать и не потребует перезапуска. Хотя протестировать функции OV и UV я мог достаточно легко, ни один из моих обычных приемов не сработал бы при проверке функции самовосстановления, поскольку у меня не было возможности достаточно быстро увеличивать и уменьшать входное напряжение. При времени восстановления порядка десятков микросекунд и необходимости как питать саму микросхему, так и резко увеличивать напряжение на ее входной развязывающей емкости 20 мкФ, о простом использовании функционального генератора не могло быть и речи.

После нескольких неудачных попыток сконструировать решение с функциональным генератором, включенным последовательно с источником питания, я придумал схему, показанную на Рисунке 1. Сама эта схема является результатом нескольких доработок на макете, позволивших увидеть, что работает лучше всего. В двух словах, сигнал, имитирующий напряжение переходного процесса желаемой формы, создается функциональным генератором и буферизуется с помощью мощного операционного усилителя для управления емкостью 20 мкФ на оценочной плате.

Схема тестера переходных процессов в линиях питания.
Рисунок 1. Схема тестера переходных процессов в линиях питания.

Центральным элементом схемы является мощный операционный усилитель OPA2544T с максимальным напряжением питания ±35 В, способный при соблюдении надлежащих мер предосторожности отдавать в нагрузку ток до 6 А. Хотя это конкретное приложение не требовало такой большой мощности, выбор усилителя, параметры которого превышали мои реальные потребности, позволил создать более универсальную испытательную установку. После того, как моя работа по проверке была завершена, эту схему можно было использовать для тестирования множества различных стабилизаторов, зарядных устройств и других схем с широким диапазоном входных емкостей.

Резистор 0.1 Ом, включенный между выходом ОУ и точкой VIN, установлен для предотвращения чрезмерного звона при воспроизведении быстрых импульсов от функционального генератора. Этот резистор также определяет выходное сопротивление схемы в широком диапазоне частот, когда емкость нагрузки, как в данном случае, достаточно велика [1]. Чтобы иметь возможность работы с перепадами напряжения, выходящими за пределы диапазона сигналов функционального генератора (в моем случае это ±10 В), можно добавить в схему сопротивление RGAIN. В качестве RGAIN рекомендуется использовать подстроечный резистор, включив последовательно с ним постоянный резистор небольшого номинала, чтобы не допустить насыщения выхода в случае неправильной установки потенциометра.

На Рисунке 2 показана схема, созданная с использованием фольгированного текстолита, прорезанного канцелярским ножом, а также пассивных компонентов, оказавшихся под рукой на моем рабочем столе. Для проверки концепции использовалась тестовая плата с теми же двумя входными конденсаторами по 10 мкФ, что и в реальном приложении, смонтированная на втором куске фольгированного текстолита. Количество энергии, потребляемой тестируемой микросхемой, считалось незначительным и поэтому на данном этапе не учитывалось. Были предприняты меры для минимизации индуктивности между функциональным генератором и тестером, а также между тестером и входными конденсаторами (обратите внимание на кабель слева и проводники печатной платы внизу). Резистор 0.1 Ом состоит из двух мощных резисторов по 0.2 Ом, соединенных параллельно, чтобы гарантировать отсутствие каких-либо проблем с прохождением большого тока.

Макет схемы.
Рисунок 2. Макет схемы.

Проверяя характеристики этой схемы, я обнаружил, что в определенных режимах она может сильно нагреваться, поэтому, если когда-либо схема превратится в полноценную печатную плату, радиатор будет желанным дополнением. И еще один общий совет. Я обнаружил, что наилучшие характеристики достигаются при запасе по питанию операционного усилителя не менее 6 В относительно самого высокого или самого низкого ожидаемого напряжения (Рисунок 3).

Обеспечение постоянного напряжения.
Рисунок 3. Обеспечение постоянного напряжения.

На Рисунках 4 и 5 показаны характеристики переходных процессов схемы при малых быстрых скачках и больших медленных перепадах. Хотя для очень быстрых переходных процессов прототип не идеален, при тестировании функций самовосстановления микросхем он показал себя более чем адекватно. Отсутствие звона на обоих фронтах означало, что ложных срабатываний микросхемы не происходило, и я смог успешно завершить требуемую проверку, уложившись в заданный срок. При воспроизведении более крупных и медленных сигналов функционального генератора результаты были еще лучше, демонстрируя стабильную, хотя и слегка передемпфированную работу системы.

Малый перепад с крутыми фронтами.
Рисунок 4. Малый перепад с крутыми фронтами.

Возможность использования множества опций формы сигналов функционального генератора позволяет контролируемым образом воспроизводить любые переходные процессы в линии питания, ожидаемые в конечном приложении, – от простых изменений уровня до более сложных импульсных помех. При принятии надлежащих мер предосторожности для защиты усилителя и тестируемой платы эта простая схема будет способствовать более полной проверке и выявлению любых прогнозируемых ошибок на ранних этапах производственного цикла.

Большой перепад с медленными фронтами.
Рисунок 5. Большой перепад с медленными фронтами.
  1. Datasheet Texas Instruments OPA2544

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 2640
сейчас смотрят 48
представлено поставщиков 1575
загружено
позиций
25 067 862