CN116338509B - 用于快速变化的电源信号的测试方法及测试电路 - Google Patents

用于快速变化的电源信号的测试方法及测试电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于快速变化的电源信号的测试方法及测试电路，涉及半导体电源模块测试领域。该方法的步骤包括：进行负载瞬态测试时，在MOS管的D极施加电压，通过控制MOS管G级的电压，来改变MOS管S极的电压和电流，MOS管S极的电压和电流改变时产生负载瞬态跳变；进行PSRR测试时，控制MOS管工作在可变电阻区和恒流区，通过与MOS管串联的可调电阻改变MOS管的电压，MOS管G极的电压变化带动可调电阻的电压变化后，产生需要的纹波叠加电源信号。本发明能够在提高现有测试仪器的负载瞬态跳变速率的同时，提高PSRR测试的带宽范围，进而满足现有技术中的应用测试需求。

Description

用于快速变化的电源信号的测试方法及测试电路
技术领域
本发明涉及半导体电源模块测试领域，具体涉及一种用于快速变化的电源信号的测试方法及测试电路。
背景技术
现有技术中进行负载瞬态测试的方式为采用电子负载的阶跃跳变方式；测试电子负载为了满足多区间的功率测试，通用性较强，针对半导体电源的小电流高速瞬态跳变测试性较差(大于10us)。但是，针对半导体电源的小电流高速瞬态跳变测试性较差(大于10us)，电子负载使用程控改变端口等效阻抗的方式去实现负载跳变，程序的响应时间和精度约束导致仪器无法做到高速的瞬态负载跳变，无法满足当前系统应用里的高于1A/us的小电流瞬态跳变测试。例如参见图1所示，对于半导体电源的小电流场景如0～2A场景，跳变速率不超过500mA/us，很难达到更高的速率，实际系统应用对于后级负载如MCU/SOC等高速动态负载模型(负载跳变频率MHz级别)，无法满足系统应用场景测试。
参见图2所示，现有技术中对于测试需求的带宽范围较广的LDO(Low DropoutRegulator，低压差线性稳压器)的PSRR(电源抑制比)而言，因为测试时需要信号的最低电压不低于输出电压+Dropout值，所以要求输入信号100mV～500mV的叠加纹波。但是，现有技术中采用程控电源进行编程波形测试，输入电源的实际纹波频率最高100KHz时，输入电源纹波20mV以内；即当前程控电源大多输入信号频率只能叠加到100KHz级别，无法实现PSRR测试需求的100Hz～1MHz的100mV～500mV输入纹波叠加测试。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何在提高现有测试仪器的负载瞬态跳变速率的同时，提高PSRR测试的带宽范围，进而满足现有技术中的应用测试需求。
为达到以上目的，本发明提供的用于快速变化的电源信号的测试方法，包括以下步骤：进行负载瞬态测试时，在MOS管的D极施加电压，通过控制MOS管G级的电压，来改变MOS管S极的电压和电流，MOS管S极的电压和电流改变时产生负载瞬态跳变；进行PSRR测试时，控制MOS管工作在可变电阻区和恒流区，通过与MOS管串联的可调电阻改变MOS管的电压，MOS管G极的电压变化带动可调电阻的电压变化后，产生需要的纹波叠加电源信号。
本发明提供的用于快速变化的电源信号的测试电路，包括电源V1，该电路还包括与电源V1相连的第一三极管Q1和第二三极管Q2、以及串联的MOS管和可调电阻R1；第一三极管Q1和第二三极管Q2共同接入同一个信号源V2，第一三极管Q1和第二三极管Q2均与MOS管相连。
在上述技术方案的基础上，该测试电路用于负载瞬态测试时：
电源V1用于：为第一三极管Q1和第二三极管Q2供电；
第一三极管Q1和第二三极管用于：将信号源V2的测试阶跃控制信号放大为输出信号后输出至MOS管；
MOS管用于：在可变电阻区，通过控制G极的变化来改变输出信号的电压值；
可调电阻R1用于：当MOS管进入饱和区工作时，通过调节自身电阻值来控制相应的测试负载的最大跳变值。
在上述技术方案的基础上，该测试电路用于PSRR测试时：
信号源V2用于：提供一个具有直流偏置、且频率和幅值可控的正弦波电源输入信号；
MOS管用于：从D极接入输入电源信号后，通过控制G级的波形，在S级产生一个跟随G级频率的信号进行输出；
第一三极管Q1和第二三极管Q2用于：将信号源V2的测试阶跃控制信号放大为输出信号后输出至MOS管；
可调电阻R1用于：与MOS管形成电阻分压电路，将MOS管S端的输出电压与GND隔离。
在上述技术方案的基础上，所述第一三极管Q1采用NPN型三极管，所述第二三极管Q2采用PNP型三极管，所述电源V1的负极接地，正极与第一三极管Q1的C极相连，第一三极管Q1的E极与第二三极管Q2的E极相连，第二三极管的C极接地；第一三极管Q1和第二三极管Q2的B极共用后接入信号源V2；第一三极管Q1和第二三极管Q2的E极均与MOS管的G极相连，MOS管的D极接入待测信号，MOS管的S极与可调电阻R1串联后接地。
在上述技术方案的基础上，所述MOS管的型号为BSB017N03LX3。
在上述技术方案的基础上，所述第一三极管Q1的型号为2N222。
在上述技术方案的基础上，所述第二三极管Q2的型号为2SAR502UB。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明进行PSRR测试时，利用MOS管的高速开关特性和可变电阻特性，来提高PSRR测试的带宽范围，突破传统程控电源100KHz的跳变频率；经测试得到，本发明能够实现1MHz以上的PSRR测试。
本发明在进行负载瞬态测试时，利用MOS管的高速开关特性和可变电阻特性，来显著提高负载瞬态变速率，经验证得出，通过本发明进行负载瞬态测试时，负载瞬态变速率可从现有技术中的150mA/us提升到200A/us。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的负载跳变示意图；
图2为现有技术长的PSRR示意图；
图3为本发明实施例中MOS管的开关特性曲线示意图；
图4为本发明实施例中的用于快速变化的电源信号的测试电路的电路示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
首先对本发明的研发原理进行说明。
为了解决现有技术中存在的问题，申请人需要寻求一种既能够提高现有测试仪器的负载瞬态跳变速率，又能够提高PSRR测试的带宽范围的测试方式。申请人经过大量试验和研究，得出以下信息：
MOS管(MOSFET的缩写，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET，金氧半场效晶体管)自身具有高速开关特性和可变电阻特性，在MOS管的D极(Drain，漏极)加上电压信号，通过控制G级(Gate，栅极)的电压信号(门控信号变化)，实现S极(Source，源极)电流电压跟随G极门控信号变化，以此产生高速的负载瞬态跳变。
与此同时，参见图3所示，通过控制MOS管工作在可变电阻区和恒流区，利用可调电阻与MOS管串联，改变MOS管的状态，即可实现可调电阻上端电压随着G极电压信号变化，产生需要的纹波叠加电源信号，以用于PSRR测试。
在此基础上，本发明实施例中的用于快速变化的电源信号的测试方法，包括以下步骤：
进行负载瞬态测试时，在MOS管的D极施加电压，通过控制MOS管G级的电压，来改变MOS管S极的电压和电流，进而产生负载瞬态跳变。
由此可知，本发明在进行负载瞬态测试时，利用MOS管的高速开关特性和可变电阻特性，来显著提高负载瞬态变速率，经验证得出，通过本发明进行负载瞬态测试时，负载瞬态变速率可从现有技术中的150mA/us提升到200A/us。
进行PSRR测试时，控制MOS管工作在可变电阻区和恒流区，通过与MOS管串联的可调电阻改变MOS管的电压，MOS管G极的电压变化带动可调电阻的电压变化后，产生需要的纹波叠加电源信号，以用于PSRR测试。
由此可知，本发明进行PSRR测试时，利用MOS管的高速开关特性和可变电阻特性，来提高PSRR测试的带宽范围，突破传统程控电源100KHz的跳变频率；经测试得到，本发明能够实现1MHz以上的PSRR测试。
进一步，参见图4所示，本发明实施例中的用于快速变化的电源信号的测试电路，包括顺次连接的电源V1、第一三极管Q1和第二三极管Q2，还包括串联的MOS管和可调电阻R1；第一三极管Q1和第二三极管Q2共同接入同一个信号源V2，第一三极管Q1和第二三极管Q2均与MOS管相连。
参见图4所示，该测试电路用于负载瞬态测试时：
电源V1用于：为第一三极管Q1和第二三极管Q2供电；
第一三极管Q1和第二三极管Q2组成图腾柱驱动电路，其用于：将信号源V2的测试阶跃控制信号放大为输出信号(放大过程中提高测试阶跃控制信号的驱动能力)后输出至MOS管。
MOS管是主要的负载跳变控制开关，其用于：利用MOS管工作在可变电阻区的特性，通过控制G极的变化来改变输出信号的电压值，进而实现MOS管的阻抗跳变。MOS管具有高带宽的开关特性，从而可以实现快速的负载变化。
可调电阻R1用于最大功率负载控制，具体为：当MOS管进入饱和区工作时(此时MOS管的阻抗达到可控范围内最小)，通过调节自身电阻值来控制相应的测试负载的最大跳变值；与此同时，可调电阻还可以和MOS管进行功率分担，降低单独器件的热损耗。
参见图4所示，该测试电路用于PSRR测试时：
信号源V2用于：提供一个具有直流偏置、且频率和幅值可控的正弦波电源输入信号。
MOS管用于：从D极接入输入电源信号后，通过控制G级的波形，在S级产生一个跟随G级频率的信号进行输出。
第一三极管Q1和第二三极管Q2用于：将信号源V2的测试阶跃控制信号放大为输出信号(放大过程中提高测试阶跃控制信号的驱动能力)后输出至MOS管。
可调电阻R1用于：与MOS管形成电阻分压电路，将MOS管S端的输出电压与GND隔离。
优选的，参见图4所示，该测试电路中第一三极管Q1采用NPN型三极管，第二三极管Q2采用PNP型三极管，该测试电路的具体连接关系具体为：电源V1的负极接地，正极与第一三极管Q1的C极(集电极)相连，第一三极管Q1的E极(发射极)与第二三极管Q2的E极相连，第二三极管的C极接地；第一三极管Q1和第二三极管Q2的B极(基极)共用后接入信号源V2；第一三极管Q1和第二三极管Q2的E极均与MOS管的G极相连，MOS管的D极接入待测信号，MOS管的S极与可调电阻R1串联后接地。
优选的，MOS管的型号为BSB017N03LX3，第一三极管Q1的型号为2N222，第二三极管Q2的型号为2SAR502UB。
经仿真测试得到，本发明实施例中的测试电路进行负载瞬态测试时，能够达到目标预期200A/us的负载瞬态测试，远高于目前常规测试仪器所能达到的1A/us跳变速率；本发明实施例中的测试电路进行PSRR测试时，可以达到目标预期的频率测试范围，高于当前常规电源仪器所能提供的100KHz以上的输入电源信号。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种用于快速变化的电源信号的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：进行负载瞬态测试时，MOS管用于：在可变电阻区，通过控制G极的变化来改变输出信号的电压值；可调电阻R1用于：当MOS管进入饱和区工作时，通过调节自身电阻值来控制相应的测试负载的最大跳变值；在MOS管的D极施加电压，通过控制MOS管G级的电压，来改变MOS管S极的电压和电流，MOS管S极的电压和电流改变时产生负载瞬态跳变；
进行PSRR测试时，信号源V2用于：提供一个具有直流偏置、且频率和幅值可控的正弦波电源输入信号；MOS管用于：从D极接入输入电源信号后，通过控制G级的波形，在S级产生一个跟随G级频率的信号进行输出；第一三极管Q1和第二三极管Q2用于：将信号源V2的测试阶跃控制信号放大为输出信号后输出至MOS管；可调电阻R1用于：与MOS管形成电阻分压电路，将MOS管S端的输出电压与GND隔离；控制MOS管工作在可变电阻区和恒流区，通过与MOS管串联的可调电阻改变MOS管的电压，MOS管G极的电压变化带动可调电阻的电压变化后，产生需要的纹波叠加电源信号。
2.一种实现权利要求1所述方法的用于快速变化的电源信号的测试电路，包括电源V1，其特征在于：该电路还包括与电源V1相连的第一三极管Q1和第二三极管Q2、以及串联的MOS管和可调电阻R1；第一三极管Q1和第二三极管Q2共同接入同一个信号源V2，第一三极管Q1和第二三极管Q2均与MOS管相连。
3.如权利要求2所述的用于快速变化的电源信号的测试电路，其特征在于，该测试电路用于负载瞬态测试时：
电源V1用于：为第一三极管Q1和第二三极管Q2供电；
第一三极管Q1和第二三极管用于：将信号源V2的测试阶跃控制信号放大为输出信号后输出至MOS管；
MOS管用于：在可变电阻区，通过控制G极的变化来改变输出信号的电压值；
可调电阻R1用于：当MOS管进入饱和区工作时，通过调节自身电阻值来控制相应的测试负载的最大跳变值。
4.如权利要求3所述的用于快速变化的电源信号的测试电路，其特征在于，该测试电路用于PSRR测试时：
信号源V2用于：提供一个具有直流偏置、且频率和幅值可控的正弦波电源输入信号；
MOS管用于：从D极接入输入电源信号后，通过控制G级的波形，在S级产生一个跟随G级频率的信号进行输出；
第一三极管Q1和第二三极管Q2用于：将信号源V2的测试阶跃控制信号放大为输出信号后输出至MOS管；
可调电阻R1用于：与MOS管形成电阻分压电路，将MOS管S端的输出电压与GND隔离。
5.如权利要求2或3所述的用于快速变化的电源信号的测试电路，其特征在于：所述第一三极管Q1采用NPN型三极管，所述第二三极管Q2采用PNP型三极管，所述电源V1的负极接地，正极与第一三极管Q1的C极相连，第一三极管Q1的E极与第二三极管Q2的E极相连，第二三极管的C极接地；第一三极管Q1和第二三极管Q2的B极共用后接入信号源V2；第一三极管Q1和第二三极管Q2的E极均与MOS管的G极相连，MOS管的D极接入待测信号，MOS管的S极与可调电阻R1串联后接地。
6.如权利要求5所述的用于快速变化的电源信号的测试电路，其特征在于：所述MOS管的型号为BSB017N03LX3。
7.如权利要求5所述的用于快速变化的电源信号的测试电路，其特征在于：所述第一三极管Q1的型号为2N222。
8.如权利要求5所述的用于快速变化的电源信号的测试电路，其特征在于：所述第二三极管Q2的型号为2SAR502UB。
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