【導(dǎo)讀】高速驅(qū)動容性負(fù)載比較困難，一個原因是電壓變化產(chǎn)生的電流充電速度僅受等效串聯(lián)電阻(ESR)的限制，另一個原因是如果將電容器連接到反饋控制系統(tǒng)，電容器引入的極點會導(dǎo)致相位損失。本文介紹的方法采用極少的元件來實現(xiàn)小尺寸， 對功能的影響很小， 而且在需要時可以很容易把移除的功能添加回來。
高速驅(qū)動容性負(fù)載比較困難，根本原因在于電壓變化產(chǎn)生的電流充電速度僅受等效串聯(lián)電阻（ESR）的限制，而對于現(xiàn)代多層電容器，等效串聯(lián)電阻往往非常小。另一個原因在于，如果將電容器連接到反饋控制系統(tǒng)，電容器引入的極點會導(dǎo)致相位損失。這個極點迫使我們把帶寬限制在遠(yuǎn)低于期望的水平，以免影響穩(wěn)定性。因此，如果希望在容性負(fù)載上產(chǎn)生清晰而又受控的上下沿，就需要帶寬很寬、電流很大的“緩沖器”，而且它既不能振蕩，也不能體積太大而占據(jù)工作臺一半的空間。
下面介紹的方法采用極少的元件來實現(xiàn)小尺寸，對功能的影響很小，而且在需要時可以很容易地把移除的功能添加回來。這種被稱為LineEdge2的電路可以在連接到大的直流和容性負(fù)載時產(chǎn)生高速的上下沿。該電路在Dialog半導(dǎo)體公司內(nèi)廣泛用于線路瞬態(tài)響應(yīng)、PSRR和其它性能測量，幫助電源管理IC的特性測試。
現(xiàn)代電源管理IC包含線性和開關(guān)轉(zhuǎn)換器，與數(shù)字內(nèi)核集成在一起。數(shù)字內(nèi)核可以是硬編碼的大型狀態(tài)機(jī)，或者是軟件驅(qū)動的微型CPU。所有的轉(zhuǎn)換器都要滿足最大電壓變化范圍的指標(biāo)，以保證在負(fù)載或線路瞬態(tài)變化時正常工作。測量此參數(shù)的典型方法需要一個功率放大器提供階躍變化給轉(zhuǎn)換器的輸入端，同時在轉(zhuǎn)換器輸出端接一個電子負(fù)載來提供指定的負(fù)載，還需要一個示波器（以測量輸入條件和輸出偏差）。完整的設(shè)置如圖1所示。
圖1：線路瞬態(tài)響應(yīng)測量設(shè)置。
許多工程師新手采用的一種簡單方法，是使用一根同軸電纜將功率放大器連接到目標(biāo)主板的輸入電容上。功率放大器往往無法承受這樣的電容負(fù)載，在大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換器的輸入端會變成振蕩器，有時甚至?xí)p壞輸入電容器或轉(zhuǎn)換器本身。因此通常采用的解決方案是將同軸電纜改為短接線和串聯(lián)電阻，將放大器與電容性負(fù)載隔離。這可以使其穩(wěn)定，但是隔離電阻會影響振幅的準(zhǔn)確性，而且與穩(wěn)壓器的輸入電容一同使用會產(chǎn)生低通濾波器，從而降低帶寬。
可能有人會問：為什么不能完全去除電容器，只使用功率放大器來驅(qū)動被測器件（DUT）？答案是這種方法會造成開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器不穩(wěn)定。另外，如果數(shù)字內(nèi)核也是由同一個電源供電，可能會導(dǎo)致頻繁的數(shù)字內(nèi)核復(fù)位，產(chǎn)生不穩(wěn)定性。一種折衷的辦法是將輸入電容的值降到足夠低，讓我們既能夠驅(qū)動它，又能保持穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。然而，這種解決方案需要額外的實驗，并導(dǎo)致測試系統(tǒng)的硬件配置與最初的設(shè)計不同，從應(yīng)用或設(shè)計角度來看這是不可取的。
如果要設(shè)計一款能夠驅(qū)動大電容負(fù)載的電路，該怎么開始？首先需要高帶寬放大器加補(bǔ)償方案來解決負(fù)載電容引起的相位損失問題。在利用飛線（fly wire）和原型PCB進(jìn)行了幾次實驗后，LineEdge誕生了，經(jīng)過一系列改進(jìn)，又產(chǎn)生了LineEdge2。
圖2：LineEdge2原理圖。
從原理圖中可以看出，LineEdge2由電流反饋放大器（CFA）U1（LT1210）、基本的偏置網(wǎng)絡(luò)和BJT輸出級（Q1和Q2）組成。LT1210是一個有趣的放大器，它具有大電流輸出（> 1A）和高帶寬（35MHz），其默認(rèn)設(shè)計就是驅(qū)動 “高”電容性負(fù)載（最高達(dá)10nF）。為了有效利用該放大器的大電流，其輸出直接連接到NPN雙極晶體管Q1的基極。由于LineEdge2始終以正輸出電壓運(yùn)行，因此這種安排是合理的。輸出級采用互補(bǔ)的高開關(guān)速度功率晶體管，其hFE約為50，可提供充分的電流放大。由于大部分電流實際上流經(jīng)該元件，該NPN晶體管采取了額外的冷卻措施。PNP通過兩個二極管壓降偏置，以約10mA的集電極電流實現(xiàn)晶體管傳輸，使輸出工作在AB類。該偏置確實非常簡單，因為在輕輸出負(fù)載的情況下只需要該P(yáng)NP稍微打開。
負(fù)載較高時，輸出級進(jìn)入A類，PNP幾乎不會打開。為了改善需要快速上下沿時的PNP驅(qū)動，將一個自舉電容器與偏置二極管并聯(lián)，這可以在瞬態(tài)響應(yīng)的下降沿短暫地提供能量到基極。如果該器件在低功耗場景中使用，則由一個短路鏈路反轉(zhuǎn)為B類輸出。輸出采用AB類的主要原因是為了避免交叉失真，不然會產(chǎn)生額外的高頻噪聲。兩個晶體管的集電極被重度去耦，以便在需要時提供本地電源。
請注意，原理圖中沒有發(fā)射極電阻。發(fā)射極電阻有助于減輕PNP的熱失控風(fēng)險，但同時也會增加放大器驅(qū)動器擺幅要求，并因額外的壓降而增加電源電壓要求。所以為了保證輸出級不出現(xiàn)熱失控，電路里設(shè)定了合適的偏置電阻值，并且保證二極管與PNP熱耦合。與SD（關(guān)閉）引腳串聯(lián)的100kΩ電阻用來降低功耗，CFA的總帶寬也因此略有降低。電容性負(fù)載的補(bǔ)償非常簡單。CC與RC并聯(lián)來設(shè)定CFA的帶寬。R5是環(huán)路測試用的注入電阻器，它與J9一起方便穩(wěn)定性測量。輸入信號直接連接到正向的高阻抗輸入端， 50Ω端接阻抗可選。
這里沒有采用連接到CFA補(bǔ)償引腳的C5，因為在這個應(yīng)用里它對提升性能沒有幫助。
穩(wěn)定性
由LineEdge2驅(qū)動的典型電容性負(fù)載范圍為10μF至100μF，根據(jù)電容的類型和容量的差異，可能需要微調(diào)相位裕度。圖3顯示了兩種極端的電容性負(fù)載情況。電容性負(fù)載引起的增益損失是顯而易見的，看起來電容的阻抗特性會影響預(yù)期的一階增益下降。較高的電容值具有較低的諧振頻率，迫使第一次交叉更早出現(xiàn)。而容值較低的電容具有較高的品質(zhì)因數(shù)，在較高的頻率上交叉之后會出現(xiàn)更陡的低谷。相位在諧振頻率上開始恢復(fù)，并快速跳轉(zhuǎn)到放大器中設(shè)計的高值。很明顯，我們有兩個交叉點和兩個相位裕度。在這種情況下，需要考慮所有交叉點，穩(wěn)定性受制于“最薄弱環(huán)節(jié)”或最小的相位裕度。在本例中，最薄弱的環(huán)節(jié)始終是由負(fù)載電容器決定的第一個交叉點。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，我們有兩個選擇：要么以某種方式提高增益，以避免第一個交叉點，要么提前提升相位（以較低頻率），確保在第一個交叉點時仍然有一些相位。為了增加增益，只需降低RC值，或者為了提升相位，只需增加CC。圖3顯示了固定值RC = 560Ω和兩個CC值的兩種情況。很明顯，820pF的情況在兩種電容性負(fù)載情況下都能提供更好的相位裕度。
圖4顯示了低容性負(fù)載下不同負(fù)載點的情況。當(dāng)增益增加時，相位變化非常小。增益增加導(dǎo)致更高的交叉頻率，并且由于相位在交叉之后迅速上升，相位裕度也相應(yīng)上升。顯然，隨著負(fù)載的增加，相位也在提升，同時增益和帶寬也增加了。結(jié)果是，隨著負(fù)載的增加，獲得了更快的速度和更高的穩(wěn)定性。從曲線圖可以看出，當(dāng)負(fù)載相差400mA時，相位裕度變化達(dá)10°。
圖3：具有10μF和100μF電容性負(fù)載的相位裕度圖。
圖4：不同負(fù)載點下的相位裕度圖。
自動化
LineEdge2是一個簡單的器件，它不包含任何額外的保護(hù)或限流電路，可以獨(dú)立使用，也可以作為具有許多獨(dú)立電源輸出的更大自動化系統(tǒng)的一部分使用。
由于線路瞬態(tài)響應(yīng)是在滿載時測量的，因此散熱可能會是一個問題。為了解決這個問題，負(fù)載瞬態(tài)脈沖與輸入脈沖同步施加，并確保輸出電壓具有適當(dāng)?shù)那爸煤秃笾梅€(wěn)定時間。這樣一來，轉(zhuǎn)換器的負(fù)載就不是恒定的，而是脈沖的，具有很小的占空比，減少了LineEdge和DUT的損耗。圖5顯示了脈沖排列，藍(lán)色曲線是使用LineEdge2驅(qū)動的輸入瞬態(tài)，黃色曲線是負(fù)載瞬態(tài)脈沖。輸入瞬態(tài)脈沖處于負(fù)載瞬態(tài)脈沖的中間，具有足夠的時間余量來穩(wěn)定輸出電壓，即紅色曲線。為了實現(xiàn)這種脈沖排列，標(biāo)準(zhǔn)工作臺用的函數(shù)發(fā)生器可能不夠，因為兩個脈沖的相位同步必須被控制，脈沖寬度和斜率也必須被控制。通過減少脈沖排列的重復(fù)頻率，可以降低總功率損耗，因此不再需要散熱器，使解決方案保持小巧且易于集成。從圖5可以看出，穩(wěn)壓器的線路瞬態(tài)響應(yīng)非常小（與線路瞬態(tài)脈沖同步的紅色波形），約為1mV，所以應(yīng)特別保護(hù)測量信號免受其它噪聲源的干擾。
圖5：線路瞬態(tài)響應(yīng)自動化。
硬件
所實現(xiàn)的LineEdge2是一個小型模塊，可以直接插入到目標(biāo)評估板中。如圖6所示，它使用高速大電流Samtec HSEC8連接器連接到目標(biāo)系統(tǒng)，該連接器可以在輸入電容附近進(jìn)行匹配，以允許LineEdge2板從頂部插入。該板需要連接到盡可能靠近輸入電容的位置，這非常重要，原因有幾個：首先，對于大電流靜態(tài)負(fù)載，連接電阻會產(chǎn)生壓降，由于主放大器的反饋接在板端，輸入端可能會看到一些壓降；其次，連接中的阻抗會限制對電容器進(jìn)行充電的速度和能力，導(dǎo)致較差的信號保真度。因此，我們在制作主板時通常把連接器放在需要的位置。
圖6：使用改裝的HSEC8連接器完成設(shè)置。
結(jié)論
應(yīng)用工程師經(jīng)常需要在短時間內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的測量并提供結(jié)果。擁有正確的工具，了解并知道如何使用它，會帶來不可或缺的優(yōu)勢，大大降低任務(wù)的復(fù)雜性。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。作者：Mladen Veselic，Dialog公司
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