ZHDA294 August 2026 CSD19536KCS , OPA192
3 系统设计
系统设计通常从规范开始。这些规范通过施加各种限制来指导设计的其余部分。
| 规范名称 | 规格值 |
|---|---|
| 最大负载 | 30A @ 5V |
| 目标转换率 | 1A/µs @ 10A |
| 支持的最大 DUT 电压 | 80V |
| 支持的最小电压 | 取决于负载 |
最大负载根据被测器件 (DUT) 的输出电压降低，该电压即施加到负载 FET 漏极的电压，如 图 3-1 所示。这种降额是欧姆定律的结果；负载电流会导致晶体管 Rds(on)（热态时约 4mΩ）、镇流电阻器 (1mΩ) 和电流检测电阻器 (50mΩ) 上出现 IR 压降。最小 DUT 电压与适用的最大负载电流之间的关系公式为：
前面的公式不考虑电路板和 DUT 之间任何互连的电阻,也不考虑 PCB 迹线的电阻。请注意，应用的条件必须符合 FET 安全工作区 (SOA)。
图 3-1 负载降额与 DUT 电压的关系MOSFET 可仿真瞬态负载，可以说是系统中最重要的元件。CSD19536KCS 是一款额定电压为 100V 的 MOSFET，能够承受 150A 的连续电流并具有充分的冷却能力 [6]。此 MOSFET 具有低 Qg，因此更易于驱动，其较大的封装便于安装散热器。接下来，1mΩ 电阻器充当镇流电阻器，并确保在并联使用多个 FET 以实现更高的负载的情况下，FET 的负载共享表现更佳。该电路板的连接器支持通过具有对接连接的辅助 PCB 来实现该目的。最后，使用 50mΩ 电阻器作为电流分流器，以便对表示负载电流的电压进行开尔文测量。
通过选择 MOSFET，可以利用其总栅极电荷和目标上升时间来确定驱动器必须提供的平均栅极电流：
通常安装一个栅极电阻器来限制振荡。在 10V 驱动电压下：
因此，驱动器的总电流峰值要求为每个负载级 ~1.2A，包括余量和裕度。较低的栅极驱动电压会降低 Ipeak，但会增加上升时间。反馈环路将生成适当的驱动，以验证负载分布是否与输入电压曲线匹配。实际上，实现的上升时间取决于闭环带宽、与 DUT 的连接电感以及由 sub-Vbe 驱动器偏置引入的死区。
这些值设置输出级之前的驱动器级要求。驱动器必须提供 10V 驱动并为每个功率级提供至少 1.2A 的峰值电流。利用驱动器级的晶体管以及目标输出电流，可以计算所需的输入基极电流。可以根据预期的发射极电流反算基极电流。
驱动器级会缓冲其输入信号，并提高其电流驱动能力。要将后续功率级的栅极驱动至 10V，驱动器级的电源轨需要高于该电压，以便为驱动器提供所需的余量。此设计使用 ±12V 电源轨来验证是否始终存在至少 2V 的余量（即 20% 的裕量）。输出级通常包括具有高 hFe（电流增益）的 BJT。在给定简单负载脉冲的情况下，瞬时功率等于 BJT 消耗的峰值功率。可以通过以下公式来计算该功率：
请注意，尽管达林顿对的最大 VBE 较大，但由于基极电流而导致的功耗微不足道。
如果所需负载为周期性负载，则可以根据以下公式来计算平均功率：
该平均功率包括 BJT 中的损耗和 Rgate 中作为热量消耗的能量。该值与 Rgate 的实际值无关；如果 Rgate 值较低，则在较短时间内具有较高功耗；同样，如果 Rgate 值较高，则在较长时间内具有较低功耗。Rgate 的值会影响驱动速度和稳定性。
所选的 NPN 和 PNP 晶体管需要能够驱动电源轨电压下的峰值电流。许多晶体管数据表都包含安全工作区图，可查阅该图来验证晶体管是否能够在给定的电源轨电压 (VCE) 下驱动所需的电流。TIP142、TIP147 器件是互补的 NPN 和 PNP 达林顿对。它们具有大于 1000 的高 hfe，可以较小的基极电流实现较大的驱动电流。在 Tcase 为 25°C 时，这两款器件的额定功率均为 125W、最高达 10A，并且击穿电压为 100V，因此它们是输出级的可靠选择。大尺寸和低 1°C/W 热阻（结至外壳）可简化冷却和热管理。
为了偏置驱动器级，使用了两个电阻器和两个二极管。其中每个二极管都具有大约 0.5V 的正向压降。理想情况下，偏置电流远大于驱动晶体管所需的实际基极电流。电路偏置支路周围的 KVL 展示了偏置电阻器与偏置电流之间的关系：
输入级必须能够驱动驱动器级的偏置电流和晶体管基极电流。当驱动器处于最大电压时，流经每个 Rbias 电阻器的偏置电流会显著下降，运算放大器必须提供差值。这会限制运算放大器驱动电流和电阻器值。在以下条件下：
在这些最大驱动条件下，运算放大器现在必须为晶体管提供满偏置电流和基极电流，而 OPA192 的 65mA 驱动能力相对较高，可以提供这些电流。此外，它还必须满足所需的电压轨和输入/输出要求。OPA192 是一款 36V 轨到轨运算放大器，它可以支持±12V 电源轨和 10V 输入。它的偏移电压低至 ±5µV [7]。该运算放大器具有 10MHz 的增益带宽积和 20V/μs 的转换率，两者都足以支持 1A/μs 瞬态规范。
为了消除整个环路输出中的高频振荡，高频旁路 RC 网络可降低输入级运算放大器正输入终端与负输入终端之间的阻抗。在直流和较低频率下，该电容器具有较大阻抗，不会干扰正常运行。但如果发生高频振荡，电容器的阻抗会低很多，从而在运算放大器输入端之间有效地形成一条低阻抗路径，阻止振荡放大，达到抑制振荡的目的。该最小阻抗值由设置为 1kΩ 的电阻器 R 控制。例如，在 5MHz 这样的高频下，220pF 电容器的电抗将等效为 145Ω，因此整个网络的阻抗为 1.01kΩ。