CN209072343U - 一种宽范围电压和大电流输出电源*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽范围电压和大电流输出电源***，利用标准buck电路提供驱动电压和电流给第一MOS管；并依据第一MOS管的输出反馈电压VFB与预设的目标电压Vset的比较结果调整第一MOS管的导通阻抗，使得第一MOS管工作在横流区，从而实现电源***的宽范围电压和大电流的稳定输出，解决了当前非隔离模块输出电压可调范围窄的难点，同时解决了输出电流在大范围动态变化的情况下，输出电压波动较大的问题，优化了宽范围输出电源的纹波和精度指标。

Description

一种宽范围电压和大电流输出电源***

技术领域

本实用新型属于电源设计领域，具体涉及一种宽范围电压和大电流输出电源***。

背景技术

随着材料、工艺等技术的发展，IC集成电路的规模越来越大，半导体器件在通信、计算机、医疗等领域的应用也越来越广泛，那么ATE(Automatic Test Equipment，自动测试设备)***对半导体的指标、功能、可靠性的检测就显得至关重要。ATE***主要由上位机、core板、DIB(Device Interface Board，被测设备接口板)板构成，通过上位机加载测试程序，在core板上运行产生合适的电压/电流/时序/功能状态等信号，将信号送给DIB板上的DUT(Device Under Test，被检测器件)器件，最后检测对比DUT的响应，来判断被测设备的性能/可靠性是否满足设计要求。

ATE***可通过更换DIB board测试多种DUT，由于不同的DUT器件对供电电压的需求不同，部分芯片需要进行电源拉偏测试，这就需要CORE board能够提供宽范围的输出电压，且电压可以根据DUT的需求进行在线调整。同时为了满足芯片厂商的出货需求，加快DUT的测试速度，特别是老化测试设备，单块DIB board上集成的DUT可以多达320pcs，负载电流需求高达100A。这样就要求core board单板具有输出大电流的供电方案

目前ATE设备供电的方案有两种：一种方案通过DPS(Device Power Supplies，测试设备供电)芯片为DUT设备供电，正如专利文献CN201520083776.4所公开的利用DPS芯片去控制两个开关电源的串/并方式来实现宽范围的电源输出，此方案控制复杂，在大电流负载的情况下，如果使用并联模式，没有均流的功能，会导致两个模块的供电不均衡，模块输出的精度和效率难以得到保证，同时，DPS芯片的输出电压灵活可调，但是输出电流受限，目前市场上的DPS芯片驱动能力最大在2A左右。无法满足负载大电流的需求。

另一种方案用DC-DC(直流转直流)模块供电，目前主流的模块输出电流能高达几十安培，但是输出电压多在0.5V～5.5V。不能满足6V以上的需求，强制调压会造成电感参数不失配从而导致电路的环路不稳定，同时模块的输出精度/纹波/动态响应特性难以满足负载芯片要求。专利文献CN201620110801.8公开了一种利用AC-DC(交流转直流)开关电源，通过滤波-整流的方式实现宽的输出电压，但是该方案不适合DC-DC的应用环境，无法满足对输出宽电压、大电流的非隔离电源的需求。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种宽范围电压和大电流输出电源***，其利用标准buck电路提供驱动电压和电流给第一MOS管；并依据比较器调整第一MOS管的导通阻抗，使得第一MOS管工作在横流区，从而实现第一MOS管的宽范围电压和大电流的稳定输出。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种宽范围电压和大电流输出电源***，该***包括BUCK模块和电流优化模块，BUCK模块的输出端连接电流优化模块的输入端，电流优化模块的输出端连接待测负载的输入端，电流优化模块的输出反馈端连接电流优化模块的第二控制端，

BUCK模块包括标准buck电路，BUCK模块利用标准buck电路提供驱动电压和电流给电流优化模块；

电流优化模块包括第一MOS管和比较器，比较器的两个输入端分别连接第一MOS管的输出反馈端和预设的目标电压Vset，比较器的输出端连接第一MOS管的控制端，比较器通过调整第一MOS管的导通阻抗使得第一MOS管工作在横流区，从而实现宽范围电压和大电流的稳定输出。

作为本实用新型的进一步改进，该***还包括数模转换模块，数模转换模块包括FPGA和数模转换电路，数模转换模块的第一输出端连接比较器的第一控制端，数模转换模块利用FPGA控制数模转换电路输出预设的目标电压Vset给比较器。

作为本实用新型的进一步改进，第一MOS管的负载电流ID的工作范围为25～30A，第一MOS管的耐压VDS大于25V，第一MOS管的导通阻抗工作范围为1～3mΩ。

作为本实用新型的进一步改进，标准buck电路包括一个DC-DC直流转换模块和第二MOS管，DC-DC直流转换模块提供PWM控制信号驱动第二MOS管实现输入12V到输出0.6～10V的电压转换。

作为本实用新型的进一步改进，第二MOS管的负载电流ID的工作范围为25～30A，第二MOS管的耐压VDS大于25V，第二MOS管的导通阻抗工作范围为1～3mΩ。

作为本实用新型的进一步改进，数模转换模块的第二输出端连接BUCK模块的控制端，数模转换模块利用FPGA控制数模转换电路输出Vtrim给BUCK模块的控制端以调节BUCK模块的输出电压。

作为本实用新型的进一步改进，BUCK模块采用两个两相BUCK电路并联提供驱动电压和电流给第一MOS管，两相buck电路的PWM控制信号相位差为180度，每相分别采用两个MOS管并联输出。

作为本实用新型的进一步改进，利用差分走线Vense+和Vsense-采样负载端的输入电压Vs并反馈给比较器，比较器依据Vense+和Vsense-的采样结果实现负载端输入电压的远端补偿。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本实用新型的一种宽范围电压和大电流输出电源***，利用标准buck电路提供驱动电压和电流给第一MOS管；并依据第一MOS管的输出反馈电压VFB与预设的目标电压Vset的比较结果调整第一MOS管的导通阻抗，使得第一MOS管工作在横流区，从而实现第一MOS管的宽范围电压和大电流的稳定输出，解决了当前非隔离模块输出电压可调范围窄的难点。

本实用新型的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其通过利用FPGA控制数模转换电路输出预设的目标电压Vset，同时利用FPGA控制数模转换电路输出Vtrim给BUCK模块的控制端以调节BUCK模块的输出电压，解决了输出电流在大范围动态变化的情况下，输出电压波动较大的问题，优化了宽范围输出电源的纹波和精度指标。

本实用新型的一种宽范围电压和大电流输出电源***，对ATE***中被测设备DUT的供电需求分析，通过DC-DC直流转换模块提供PWM控制信号驱动第二MOS管实现输入12V到输出0.6～10V的电压转换，同时通过利用两个标准buck电路和两个MOS管并联连接后输出驱动电压和电流，实现在宽范围电压输出的情况下，保证电源***50A大电流的驱动能力，同时降低了宽范围输出电源模块的成本。

本实用新型的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其利用抗共模干扰能力强差分走线采样负载端的输入电压实现负载端输入电压的远端补偿。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种宽范围电压和大电流输出电源***的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的一种宽范围电压和大电流输出电源***的流程示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本实用新型进一步详细说明。

为方便介绍实用新型内容，定义和解释相关术语如下：

ATE：Automatic Test Equipment自动测试设备；

DUT：Device Under Test被检测器件；

DPS：Device Power Supplies测试设备供电；

DAC：Digital to analog converter数模转换器；

DIB：Device Interface Board被测设备接口板；

图1为本实用新型实施例的一种宽范围电压和大电流输出电源***的结构示意图。如图1所示，该***包括BUCK模块、电流优化模块和数模转换模块，其中，BUCK模块的输出端连接电流优化模块的输入端，电流优化模块的输出端连接待测负载的输入端；数模转换模块的第一输出端连接电流优化模块的第一控制端，数模转换模块的第二输出端连接BUCK模块的控制端，电流优化模块的输出反馈端连接电流优化模块的第二控制端，待测负载输入端的差分采样电压分别连接电流优化模块的第三控制端和第四控制端。

BUCK模块用于提供电流优化模块的驱动电压和电流，BUCK模块是标准的buck电路，标准的buck电路包括一个DC-DC直流转换模块和第二MOS管，DC-DC直流转换模块提供PWM控制信号驱动第二MOS管实现输入12V到输出0.6～10V的电压转换。

作为一个优选的方案，BUCK模块优选采用两个两相BUCK电路并联提供驱动电压和电流给第一MOS管，两相buck电路的PWM控制信号相位差为180度，每相分别采用两个MOS管并联输出，BUCK模块最高能实现50A的负载电流输出。

由于BUCK模块的输出电压范围很宽，环路参数的适配要求很高，BUCK模块在靠近高低输出极限的时候，输出电压Vout精度变低，纹波变大，大的负载电流也会使BUCK模块的输出动态响应变差。BUCK模块的输出电压范围：0.6～10V，但是由于其输出电压范围宽和输出电流大，BUCK模块中电感/电容/MOS选型以及开关频率都会影响其输出性能，为了适配高电压大电流的输出需求，电感感值/电容容值相对较大，导致BUCK模块低压的输出启动过冲较大，同时会导致输出动态响应变慢，负载电压和电流大范围变化时会导致输出电压跌落，从而影响电源输出的精度和稳定度。

数模转换模块用于提供BUCK模块和电流优化模块的调压信号。数模转换模块包括一个FPGA，数模转换模块在FPGA的控制下输出Vset为电流优化模块的比较器提供基准电压；数模转换模块在FPGA的控制下输出Vtrim通过串阻连接到BUCK模块的控制端，数模转换模块通过Vtrim调节BUCK模块的输出电压，具体为：当串阻R的值一定是，Vtrim电平越高，输出Vout的电压越低；反之，Vtrim电平越低，输出Vout的电压越高。

电流优化模块用于优化电源的输出精度，具体为：为了稳定BUCK模块的输出，在BUCK模块后级加入电流优化模块，用于优化电源的输出精度、纹波、动态响应特性。电流优化模块保证了输出VS的稳定，电流优化模块包括第一MOS管和一个比较器，其中，第一MOS管用于提供大的电流输出，比较器来通过比较电流优化电路输出反馈电压VFB与预设的目标电压Vset的大小，通过比较器的输出来控制功率开关第一MOS管的导通阻抗，通过比较器的输出控制功率开关第一MOS管工作在横流区，从而实现优化电源的输出精度、纹波、动态响应特性，

当电流优化电路输出反馈电压VFB>预设的目标电压Vset,第一MOS管的导通阻抗变大，第一MOS管压降增加，从而VS变小；

当电流优化电路输出反馈电压VFB<预设的目标电压Vset,第一MOS管的导通阻抗变小，第一MOS管压降减小，VS变大；

当电流优化电路输出反馈电压VFB＝预设的目标电压Vset,第一MOS管的导通阻抗稳定，电流优化电路的输出电压VS＝Vset。

电流优化模块的输出电压范围：与BUCK模块的输出压差保持1V，可调范围为0.5～9V，电流优化模块输出电压的精度主要受比较器和运算放大器自身的误差影响(一般误差较小)，与电流优化模块的精度关系不大，从而弥补了电流优化模块输出纹波大，精度低，动态响应慢的缺点。

电流优化模块还可用于实现远端补偿，具体为：电流优化模块输出到DUT需要经过连接器或者较长的PCB走线，由于负载电流较大，PCB线路上会产生较大的压降，为了补偿线路压降，通过抗利用差分走线Vense+和Vsense-远端DUT负载端去采样VS，反馈到比较器的输入，利用比较器的输出控制第一MOS管的导通状态，从而补偿VS的压降。其中Vense+/Vsense-提供了远端补偿的功能，弥补VS在大电流工作情况下线路的压降，进一步提高了输出VS的精度。

图2为本实用新型实施例的一种宽范围电压和大电流输出电源***的流程示意图。如图2所示，具体步骤为：

第1步：FPGA控制DAC输出初始化的Vtrim电平，通过串阻R到BUCK模块的trim引脚，用来设置BUCK模块的初始输出电压大小；

第2步：FPGA控制PWR_ON控制BUCK模块的使能，使BUCK模块输出初始的Vout电压。

第3步：确定被测设备DUT的供电电压VS的大小，该值是电源***要输出的最终的目标电压。

第4步：FPGA控制DAC输出Vtrim＝VS+1V，来调整BUCK模块的输出电压，使Vout＝VS+1V，为了弥补PCB线路压降并保证电流优化模块的功率开关管顺利导通，Vout要比VS高出1V。

第5步：FPGA控制数模转换模块输出Vset＝VS，为电流优化模块提供基准电压，来设计电流优化模块的输出电压VS。

第6步：FPGA控制VS_ON使能信号，控制电流优化模块的功率开关管第一MOS管的导通，使得电流优化模块输出最终的目标电压VS。

第7步：将VS通过驱动电流送到DUT被测器件，为其供电。

第8步：如果测试的DUT设备为同一型号，则供电电压VS保持不变，完成供电。如果更换DUT被测设备型号，需要返回到第3步顺序执行，重新确定VS电压，调整BUCK模块和电流优化模块输出电压，满足新DUT的供电需求。

第9步：VS保持稳定，供电完成。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽范围电压和大电流输出电源***，该***包括BUCK模块和电流优化模块，BUCK模块的输出端连接电流优化模块的输入端，电流优化模块的输出端连接待测负载的输入端，电流优化模块的输出反馈端连接电流优化模块的第二控制端，其特征在于，

所述BUCK模块包括标准buck电路，所述BUCK模块利用标准buck电路提供驱动电压和电流给电流优化模块；

所述电流优化模块包括第一MOS管和比较器，比较器的两个输入端分别连接第一MOS管的输出反馈端和预设的目标电压Vset，比较器的输出端连接第一MOS管的控制端，比较器通过调整第一MOS管的导通阻抗使得第一MOS管工作在横流区，从而实现宽范围电压和大电流的稳定输出。

2.根据权利要求1所述的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其特征在于，该***还包括数模转换模块，数模转换模块包括FPGA和数模转换电路，数模转换模块的第一输出端连接比较器的第一控制端，数模转换模块利用FPGA控制数模转换电路输出预设的目标电压Vset给比较器。

3.根据权利要求1所述的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其特征在于，第一MOS管的负载电流ID的工作范围为25～30A，第一MOS管的耐压VDS大于25V，第一MOS管的导通阻抗工作范围为1～3mΩ。

4.根据权利要求1所述的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其特征在于，所述标准buck电路包括一个DC-DC直流转换模块和第二MOS管，DC-DC直流转换模块提供PWM控制信号驱动第二MOS管实现输入12V到输出0.6～10V的电压转换。

5.根据权利要求4所述的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其特征在于，第二MOS管的负载电流ID的工作范围为25～30A，第二MOS管的耐压VDS大于25V，第二MOS管的导通阻抗工作范围为1～3mΩ。

6.根据权利要求1所述的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其特征在于，数模转换模块的第二输出端连接BUCK模块的控制端，数模转换模块利用FPGA控制数模转换电路输出Vtrim给BUCK模块的控制端以调节BUCK模块的输出电压。

7.根据权利要求1所述的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其特征在于，所述BUCK模块采用两个两相BUCK电路并联提供驱动电压和电流给第一MOS管，两相buck电路的PWM控制信号相位差为180度，每相分别采用两个MOS管并联输出。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种宽范围电压和大电流输出电源***，其特征在于，利用差分走线Vense+和Vsense-采样负载端的输入电压Vs并反馈给比较器，比较器依据Vense+和Vsense-的采样结果实现负载端输入电压的远端补偿。