测试设备和专门设计的负载电路之间的比较

本教程由三部分组成，介绍了用于测试大电流、低压电源的高性能电子负载，第一部分描述了对特殊电子负载的需求，例如所需的特殊电气特性。它还提供了“现成”测试设备和专门设计的负载电路之间的比较。

为什么台式电子负载不足

现代 CPU、GPU、FPGA 和 ASIC 的电力需求在幅度和性能上都在不断增加。电源电流要求已上升到数百安培，电源带宽需要高于100kHz，以满足严格的瞬态响应要求。与此同时，电源电压呈下降趋势，大多数内核电压现在低于1V，有些低至300mV。这些趋势使得使用传统的“台式”电子负载来表征合适电源的性能变得越来越困难。

性能受阻性损耗和寄生电感的限制

市售电子负载将出色的精度与复杂的控制接口相结合，可以在高功率下吸收非常高的电流。Chroma 63600系列就是一个很好的例子。该系列提供几种不同的型号，每种型号都针对不同的电压、功率和电流范围量身定制。裕量要求最低的型号是63640-80-80，它可以从400mV电源吸收约80A电流，如图1所示。该工作点表明其可实现的最低电阻接近5mO。这些负载中的每一个都可以吸收高达 80A 的电流，限制为 400W。

图1.Chroma 63600系列电压和电流裕量特性。图片由Chroma USA提供。

这是令人印象深刻的性能。但要测试 300A、0.8V 电源，必须至少并联四个 63640-80-80 负载模块，以实现低于 2.7mΩ 的有效导通电阻和处理总电流。Chroma 63600-5负载主机使我们能够做到这一点，在一个机箱中组合多达五个负载模块，并具有协调的控制和测量功能。

然而，尽管具有出色的规格，但台式负载阵列的整体性能从根本上受到其与被测电源的电气连接的限制。例如，图2显示了如何将大电流电源连接到一组电子负载进行测试。

铜和铝“母线”导体用于连接，五个电子负载模块并联运行以处理电流和功率。不幸的是，这种测试设置的外形尺寸要求大电流导体跨越40cm或更长，并且该路径长度在被测电源和负载模块之间施加了显着的电阻损耗。这种增加的电阻会削减负载处的电压裕量，导体中的寄生电感LP为可实现的最大负载瞬态压摆率设置了一个不可避免的上限。

dI/dt.MAX= V被测器/LP

令人烦恼的是，并联组合的单个负载越多，测试设置就越大，因此，连接总线中产生的电阻和电感损耗就越多。显然，需要更专业的电子负载解决方案来实现最高的压摆率和最低的总电阻。

电子负载需要什么？

为了模拟被供电半导体器件的行为，我们需要具有以下所有特性的电子负载：

负载电流压摆率（dI/dt）尽可能高（理想情况下，压摆率也是可调的）

精确可调的负载电流

高功率耗散能力，包括峰值和连续

能够以高保真度和宽带宽监控负载电流

为了在非常高的电流水平下测试低压电源，电子负载必须具有超低的最小“导通电阻”。最后，电子负载必须设计为以最小的电阻和电感连接到被测电源，否则整体性能将受到互连本身的限制。

用于电源测试的电子负载选项

简单的阻性负载

功率电阻器提供最简单的负载之一。如果尺寸和冷却正确，它可以满足高功率耗散的要求，并且可以直接监控电流（通过测量已知电阻两端的电压）。添加串联开关可以产生负载瞬态 - 但负载将完全打开或完全关闭 - 并且电流将取决于被测电压。电流压摆率既不受控制，也不可调。显然，这不是一个可以适应各种测试要求的灵活解决方案。

基于运算放大器的有源吸电流

为了提供可变负载和可控的电流摆率（负载电流上升和下降的速率），有必要围绕运算放大器构建有源吸电流电路。该电路的拓扑如图3所示。运算放大器驱动功率 MOSFET 的栅极，以在检测电阻两端建立受控电压。这导致负载电流受控，该电流从漏极流向 MOSFET 的源极，并通过检测电阻流向地。功率MOSFET增加了电流增益，但不增加电压增益，因为它用作共漏放大器，也称为源极跟随器。

图3.基本有源吸电流电路。

该电路可通过低端检测电阻的n沟道MOSFET或高端检测电阻的p沟道MOSFET来实现。在后一种情况下，电路被更恰当地描述为电流源。无论哪种方式，检测电阻都会增加一点负反馈，因为它连接在MOSFET的源极处，随着电流的增加而减去栅源电压，相反，随着电流的减少，增加栅极驱动，这有助于稳定性。

图4显示了采用n沟道MOSFET的有源吸电流电路的实际实现方案。该电路将图3所示的简单吸电流与差分放大器集成在一起。这种拓扑结构通过考虑输入信号 （SGND） 和检测电阻 （GND） 低端之间的动态和静态接地电位差异来提高精度。

图4.详细的吸电流电路。

该电路产生的负载电流与控制信号的电压成正比（图4中标记为负载波形），增益由输入和增益设置电阻之比设置。例如，利用叠加原理分析图4的电路，我们看到电流跟随输入信号，按增益1/2和检测电阻进行缩放。

负载电流 = （VS-GND）/R意义

VS= （负载波形） x （R/3R） x （1 + R/2R） – SGND x （R/2R） + GND x （2R/3R） x （1 + R/2R）

VS= （负载波形 - SGND） x （R/2R） + GND

VS– GND = （负载波形 – SGND） x （R/2R）

负载电流 = （负载波形 – SGND） x （1/2） / R意义

因此，检测电阻参考于电源地，输入信号参考于信号地。差动放大器配置将电源-接地和信号-地偏移对吸电流精度的不利影响降至最低。

与简单的开关电阻相比，有源吸电流电路具有许多优点。与简单的电阻不同，有源吸电流可以产生从零安培到最大电流的可变负载电流。此外，由于负载电流由运算放大器以闭环方式控制，因此电流精确地跟踪控制信号，因此有源电流吸收可以实现受控的电流摆率。最后，由于电路中存在固定值电阻元件，因此负载电流的精确高带宽测量相对简单。图5显示了添加第二个放大器来报告负载电流的一种方法;在这种情况下，配置为跨导放大器，以便对来自多个吸电流电路的电流测量信号进行轻松求和。

图5.用于电流测量的跨导放大器。

结论

掌握了有源电子负载电路的基本原理后，成功设计的下一部分是元件选择和电路布局。

审核编辑：郭婷