Cum să creați o linie de tensiune cu două ieșiri cu funcționalitate ‘Source’ și ‘Sink’ pentru aplicații ATE

Introducere

Un DPS este utilizat împreună cu echipamente de testare automată (ATE) și alte dispozitive de măsurare. ATE-urile sunt echipamente computerizate care automatizează echipamentul de testare electronică manuală, tradițională, pentru a evalua funcționalitatea, calitatea, performanța și testele de rezistență. Aceste ATE-uri necesită o funcționare cu patru cadrane pentru DPS. Un DPS este o sursă de alimentare cu patru cadrane care poate furniza (source) și absorbi (sink) curent, având în același timp tensiune pozitivă sau negativă. Pentru a utiliza un DPS pentru aplicații cu intensități ale curentului mai mari, soluția va grupa mai multe dispozitive DPS pentru a le crește capabilitățile de curent. Deoarece DPS-ul poate absorbi și furniza curent, sursa de alimentare pentru DPS trebuie să aibă aceeași capabilitate.

Figura 1: Convertor ‘buck’. (© ADI)

Linia de tensiune cu două ieșiri este dezvoltată pentru a reduce numărul de surse bidirecționale necesare la una singură, oferind în același timp surse cu capabilități bidirecționale pozitive și negative pentru DPS. Realizarea unei surse pozitive bidirecționale este simplă, deoarece există multe circuite integrate (IC) disponibile care pot furniza și absorbi curent. Problema este că alimentarea negativă trebuie să furnizeze și să absorbă curent, după cum cere dispozitivul testat (DUT).

Figura 2: Convertor ‘buck-boost’ inversor. (© ADI)

O soluție este utilizarea unui circuit integrat de tip buck (coborâtor) cu capabilitate bidirecțională, care poate fi configurat pentru a funcționa ca un convertor buck-boost (coborâtor-ridicător) inversor. Un exemplu este LTC3871, care poate fi utilizat atât pentru liniile pozitive, cât și pentru cele negative, deoarece este un controler buck sau boost bidirecțional.

Figura 3: Transformarea unui convertor ‘buck’ într-o configurație ‘buck-boost’ inversoare. (© ADI)

Proiectarea unui convertor Buck-Boost inversor folosind un circuit integrat coborâtor (Buck IC)

Figura 1 prezintă o schemă simplificată a unui convertor coborâtor. Acesta primește o intrare pozitivă și emite o ieșire pozitivă cu o magnitudine mai mică. Figura 2 prezintă un convertor coborâtor-crescător (buck-boost) inversor care ia o ieșire pozitivă și emite o magnitudine negativă mai mică sau mai mare. După cum se vede în figura 3, o topologie buck poate fi convertită într-o topologie buck-boost inversoare făcând următoarele:

Convertirea ieșirii pozitive a convertorului buck la masa sistemului
Convertirea masei sistemului convertorului buck ca nod de ieșire negativ
Aplicarea unei tensiuni de intrare între V_IN și ieșirea pozitivă a convertorului buck

Figura 4: Circuitul integrat de tip ‘buck’ utilizat într-o topologie ‘buck-boost’ inversoare. (© ADI)

Figura 4 prezintă o schemă simplificată privind modul de conversie a unui circuit integrat de tip buck într-o configurație buck-boost inversoare.

Cum funcționează un circuit integrat coborâtor (Buck IC) convertit

Sursă de curent (sourcing)

Figura 5 prezintă formele de undă pentru un convertor ‘buck-boost’ inversor și fluxul de curent atunci când se injectează curent. Figura 5a arată fluxul de curent prin convertor atunci când MOSFET-ul de control este pornit. Figura 5c arată curentul care circulă prin MOSFET-ul de control, iar media acestuia este curentul de intrare. În acest timp, inductorul începe să stocheze energie, crescând curentul în timp ce capacitorul de ieșire alimentează sarcina. Tensiunea inductorului este egală cu tensiunea de intrare în această perioadă.

Figura 5: (a) Fluxul de curent în timpul pornirii, (b) fluxul de curent în timpul opririi, (c) curentul prin MOSFET-ul de control, (d) curentul prin MOSFET-ul sincronizare și (e) tensiunea pe inductor. (© ADI)

Când MOSFET-ul de control este oprit, este pornit MOSFET-ul de sincronizare, iar figura 5b arată fluxul de curent prin acesta. Curentul de ieșire este curentul mediu al MOSFET-ului de sincronizare, iar tensiunea inductorului este egală cu tensiunea de ieșire. Pe măsură ce inductorul alimentează sarcina și capacitorul, curentul său începe să scadă. Acest lucru se va repeta la fiecare ciclu de comutare.

Reacția convertorului controlează PWM-ul (Pulse Width Modulation) pentru a ajusta tensiunea de ieșire la nivelul dorit, determinat de rezistoarele divizorului de tensiune. Ecuația 1 arată relația dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrare.

unde,

V_OUT = Tensiunea de ieșire
V_IN = Tensiunea de intrare
D = Factor de umplere
η = Randamentul (eficiența sistemului)

Tensiunea de ieșire este mai mare decât tensiunea de intrare atunci când factorul de umplere (duty cycle) este mai mare de 50% și mai mică decât tensiunea de intrare atunci când factorul de umplere este mai mic de 50%.

Absorbție de curent (sinking)

Figura 6: (a) Fluxul de curent în perioada de pornire, (b) fluxul de curent în perioada de oprire, (c) curentul prin MOSFET-ul de control și (d) curentul prin MOSFET-ul sync. (© ADI)

Atunci când convertorul începe să absoarbă curentul, acesta circulă de la ieșire la intrare, așa cum este indicat în figurile 6a și 6b. Curentul care circulă prin MOSFET-urile de control și de sincronizare sunt în figurile 6c și, respectiv, 6d. Deoarece convertorul absoarbe curentul, se observă un curent negativ care circulă prin MOSFET-uri. Rezultatul testului arată curentul negativ prin inductor în timpul absorbției de curent.

Figura 7: Configurația unei plăci pentru testarea sursă-absorbție (source-sink). (© ADI)

Rezultatul testului

Figura 7 prezintă configurația de testare reală pentru a testa capabilitățile sursă-absorbție (source-sink) și absorbție-sursă (sink-source) ale proiectului. Figura 8 prezintă schema bloc a montajului. Sursa bidirecțională de curent continuu (DC source) acționează ca sursă de alimentare a V_POS și este în modul CV.

Figura 8: Schema bloc a configurației. (© ADI)

Cealaltă sursă de curent continuu este conectată la ieșirea V_NEG. Această sursă de curent continuu controlează cantitatea de curent care este absorbită în sistem. O diodă de blocare este conectată în serie cu această sursă de curent continuu pentru a se asigura că nu va trece niciun curent prin ea atunci când convertorul este sursă de curent. Sarcina electronică (e-load) este utilizată ca sarcină inițială pentru a demonstra că sistemul este capabil să treacă de la sursă la absorbție și invers.

Formele de undă înregistrate sunt prezentate în figura 9. Atunci când sursa DC este pornită, linia V_NEG începe să absoarbă curent. După cum se observă în forma de undă a curentului prin inductor, acesta trece de la curent pozitiv la curent negativ. Atunci când V_NEG absoarbe curentul, sistemul este în buclă deschisă în această condiție, iar curentul sursă-absorbție este controlat de modul CC al sursei externe de curent continuu. Acest lucru este valabil și pentru V_POS din figura 10. Atunci când sursa de curent continuu conectată la ieșirea sa este pornită, linia V_POS începe să absoarbă curent.

Formele de undă înregistrate și prezentate în figura 11 reprezintă comportamentul tranziției de la sursă de curent la absorbție de curent a sistemului. După cum se observă curentul prin inductor, acesta trece de la curent negativ la curent pozitiv. Acest lucru indică tranziția înapoi la sursă de curent, atunci când tensiunea DC injectată în V_NEG este eliminată. Acest lucru este valabil și pentru linia de tensiune V_POS prezentată în figura 12.

Concluzie

Linia de tensiune cu două ieșiri reduce echipamentul necesar, deoarece este deja capabilă de bidirecționalitate atât pe V_POS, cât și pe V_NEG. Este, de asemenea, mai eficientă, deoarece curentul absorbit pe o linie este utilizat pentru a alimenta cealaltă linie, reducând curentul care este furnizat de sursa principală. Un beneficiu suplimentar al convertorului este că permite o selecție mai mare de circuite integrate din care să se aleagă atunci când se proiectează un convertor “buck-boost” inversor bidirecțional.

Referințe
Kessler, Matthew. “AN-1083 (Rev. A): Designing an Inverting Buck Boost Using the ADP2300 and ADP2301 Switching Regulators.” Analog Devices, Inc., 2010.
Yang, Ricky. “AN-1168 (Rev. 0): Designing an Inverting Power Supply Using the ADP2384/ADP2386 Synchronous Step-Down DC-to-DC Regulators.” Analog Devices, Inc., 2012.

Autori:
Jhun Rennel Sanchez, Product Applications Engineer, și
Anthony Serquiña, Senior Applications Development Engineer

Despre autori:
Jhun Rennel Sanchez s-a alăturat companiei Analog Devices în noiembrie 2020. A absolvit Universitatea de Stat din Bulacan în 2018 cu o diplomă de licență în inginerie electronică. De asemenea, a absolvit Universitatea Mapua în 2020 cu o diplomă în electronică de putere.

Anthony Serquiña este inginer senior pentru dezvoltarea aplicațiilor la Analog Devices, Filipine. El deține o diplomă de licență în inginerie electronică și comunicații de la Universitatea Saint Louis din Baguio City, Filipine. Are peste 14 ani de experiență în domeniul electronicii de putere, care include dezvoltarea de circuite integrate de management al alimentării, precum și conversia de putere front-end AC-to-DC și DC-to-DC. S-a alăturat ADI în noiembrie 2018 și în prezent susține cerințele de gestionare a puterii pentru aplicații industriale. El a avut un rol esențial în dezvoltarea platformei hardware și software a lanțului de semnal de putere (SCP) de la ADI.