简化电源测试的SPST双极性功率开关
摘要：本应用笔记介绍了一种独立的隔离spst (单刀/单掷)双极性电源开关，用于产生200a、75v瞬变信号。该开关能够用来测试电源或电源ic，用于高速电路的测试，开关的通、断时间可以达到纳秒级。
引言处理必要的大电流和脉冲电压。这样的开关必需能够连接各种拓扑结构的电路，具体取决于被测电源的类型及其应用。
有些情况下，可以采用商业化的测试负载或开发一套测试流程。如果开关的一侧连接在电源的公共端，测试过程将相对简单。否则，就必须设计开关驱动器，使设计变得复杂。一个足够灵活、能够支持电源瞬态故障测试的开关将是一个非常有用的测试工具。综上所述，可以归纳出对这种开关的要求，包括最大额定电压和额定电流，用来测试目前市场上多数中等功率的电源。
这种开关应该能够处理100a的电流，承受至少75v的开路电压。开关需要在两个方向满足电流、电压的要求，因为一些测试会产生电流振铃，有些电源电路需要双极性输出。开关的通、断速度应该保持在几十纳秒以内，以便观察电路的瞬态响应。开关的串联电阻必须足够低，串联电感也必须非常低，这意味着需要采用紧凑的物理结构和非常短的电流路径。此外，还要求开关提供电气隔离，具有非常低的输出对地电容。总之，对于开关的基本要求是当开关连接到电路时不会电路的性能和响应。
电路说明图1所示开关设计满足上述多项指标的要求，它通过一个数字隔离耦合器实现，该耦合器的端到端电容小于1pf。总传输延时为80ns，输出上升时间接近40ns。输出级由两个低rdson的mosfet构成，能够处理双极性200a、75v的电源瞬变。
开关元件(两个反向连接的输出mosfet)具有7mω导通电阻和25nh导通电感。导通状态下，对于双向电流(包括零点)表现为线性电阻，类似于导线连接，不会引入谐波失真。
图1. 该电路利用5v逻辑信号控制独立的(隔离)功率开关q1–q2，能够处理200a、75v的脉冲信号。
对于吸收电流大于50a的小阻值负载，开关上升时间(定义为瞬间导通)由导通电感决定。电流较低时，上升时间小于40ns，下降时间(瞬间关断)主要由负载阻抗决定。
电路隔离侧(开关)的电源由一组3节3v锂离子原电池串联而成(cr2025锂锰电池)。对于几khz的开关频率，标称值为170mah的这种电池能够连续使用一个多月。对于常见的测试平台，电池的使用寿命大概为3个月(左侧始终连接)。
输入为0v至5v的数字信号，只要求上升沿和下降沿时间小于20ns，最小脉宽为50ns (通或断)。传导电流小于18a时，开关处于不确定的通或断状态。
图1中，ic1和ic2构成边沿检测电路，在t1原边的一端施加窄脉冲，极性取决于输入沿，另一侧保持低电平。t1副边连接了一个同相逻辑缓冲器(输入到输出)，由ic3双通道低边功率mosfet驱动器中的一个通道构成。这个缓冲器如同一个双稳态电路(即触发器)，当t1原边作用正脉冲时置位，作用负脉冲时复位。双稳态电路输出相当于电路输入(作用在边沿检测电路的数字输入)的拷贝。
ic3的另一半和ic4的两路驱动器并联，其输入连接至双稳态输出，利用并联输出驱动两个反向连接的低rdson mosfet (irfb3077)的栅极，两个mosfet的漏极接外部电源，两个栅极和两个源极分别接在一起。三个驱动器并联后可有效提高功率mosfet的开关速度，因为ic2–ic3均分电流，每个驱动器可提供4a的峰值电流，并联后总电流可以达到12a，mosfet源极接电池负极。
max5048的输入逻辑简化了边沿检测电路的设计，max5054的低静态电流有助于延长电池的使用寿命。因此，本设计中使用了类似但不相同的ic，分别用于低边(控制和隔离，ic1、ic2)和高边(功率驱动，ic3、ic4)驱动。
图2给出了电源开关的等效电路，包括主要的寄生元件。对于整个供电电路，开关能够承受的连续功率取决于散热器。散热器会显著增大寄生输出电容，本设计中没有包括散热器。处理200a脉冲电流时需要一些补充条件，必须将脉冲宽度限制在8ms以内，开关占空比限制在0.5%以内。对于80a的瞬态信号，脉冲时间不受限制，持续时间较长(达到50ms)，但占空比不得超过3%。
图2. 该功率开关电路是图1电路的等效架构，包含了主要寄生元件。
室温下切换一个未经箝位的电感时，电路能够吸收的能量是280mj (单个脉冲，不重复出现)或200mj (最大占空比为1%的脉冲)。
耦合变压器设计要求小尺寸、低绕线电容：原边一匝、副边两匝，绕制在fair-rite 7.5 x 7.5m的铁氧体磁珠。变压器结构决定了开关负载和开关控制电路两侧的最大压差。使用普通的漆包线绝缘架构时，可以提供1kv隔离，如果使用聚四氟乙烯或质量更好的绝缘材料，则可提供1kv以上的隔离。对于要求更高隔离电压的设计，还需考虑封装。
t1的铁氧体磁芯为导体，不能在同一时刻连接到开关两侧，开关内部没有闭锁保护，操作之前必须检验锂电池的状态。上电后没有电路能够保证开关处于确定的状态(通或断)。因此，在接通其它电源之前必须先打开开关电源。开关状态由最先作用到输入端的瞬态决定，在给其它部分供电时至少使开关通、断一次。
测试电路图3–图5中顶部波形为数字输入，底部波形是通过一个0.25ω电阻负载观察到的5µs脉冲波形，负载通过开关接50v电源。因为电压波形作用在一个低电感薄膜电阻，可近似表示开关的电流波形。图3所示近似200a的脉冲波形给出了过冲和上升时间(60ns至80ns)，上升时间受高边电流通道寄生电感、电容的影响。图4给出了该脉冲的上升时间和导通延时；图5给出了下降时间和断开时的传输延时。图6–图8给出了同样的波形，负载为5ω，10a脉冲，电源电压为50v。上升时延接近于mosfet固有的30ns至40ns的上升时延，受封装和源阻抗的限制。
图3. 图1测试结果，(1) 控制信号，(2) 在0.25ω电阻两端测试的5µs脉冲，电源电压为50v。
图4. 基于图2的上升时间和导通传输延时，扫描速率为40ns/cm。
图5. 基于图2的下降时间和关断传输延时，扫描速率为40ns/cm。
图6. 图1测试结果，(1) 控制信号，(2) 在5ω电阻两端测试的5µs脉冲，电源电压为50v。
图7. 基于图6的上升时间和导通传输延时，扫描速率为40ns/cm。
图8. 基于图6的下降时间和关断传输延时，扫描速率为40ns/cm。
结论本应用笔记介绍了一种spst双极性电源开关的设计，用于电源测试。开关瞬变时能够承受较高的电流和电压，适用于当前市场上中等功率电源的测试。该电路可处理正、负极性的75v、200a瞬态信号；通、断时间在10纳秒以内；具有低等效电阻和低等效电感；能够以极低的输出对地电容提供浪涌隔离。
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开关元件(两个反向连接的输出mosfet)具有7mω导通电阻和25nh导通电感。导通状态下，对于双向电流(包括零点)表现为线性电阻，类似于导线连接，不会引入谐波失真。
图1. 该电路利用5v逻辑信号控制独立的(隔离)功率开关q1–q2，能够处理200a、75v的脉冲信号。
对于吸收电流大于50a的小阻值负载，开关上升时间(定义为瞬间导通)由导通电感决定。电流较低时，上升时间小于40ns，下降时间(瞬间关断)主要由负载阻抗决定。
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图1中，ic1和ic2构成边沿检测电路，在t1原边的一端施加窄脉冲，极性取决于输入沿，另一侧保持低电平。t1副边连接了一个同相逻辑缓冲器(输入到输出)，由ic3双通道低边功率mosfet驱动器中的一个通道构成。这个缓冲器如同一个双稳态电路(即触发器)，当t1原边作用正脉冲时置位，作用负脉冲时复位。双稳态电路输出相当于电路输入(作用在边沿检测电路的数字输入)的拷贝。
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图4. 基于图2的上升时间和导通传输延时，扫描速率为40ns/cm。
图5. 基于图2的下降时间和关断传输延时，扫描速率为40ns/cm。
图6. 图1测试结果，(1) 控制信号，(2) 在5ω电阻两端测试的5µs脉冲，电源电压为50v。
图7. 基于图6的上升时间和导通传输延时，扫描速率为40ns/cm。
图8. 基于图6的下降时间和关断传输延时，扫描速率为40ns/cm。
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