适合自动测试设备的集成设备电源(DPS)，输出电压范围为0 V至25 V (CN0130)

以前，DPS（设备电源）解决方案采用分立放大器、开关、DAC、电阻等器件设计。随着硅工艺的革新和芯片日益缩小，现在能够实现高度集成的解决方案，但几乎不可能将所有器件均集成到一块硅片上。虽然AD5560DPS是一款高度集成的器件，但若要提供完整的系统解决方案，仍需要精心选择几个外部器件。 本电路笔记旨在详细说明为了提供更完整的设备电源解决方案，需要哪些器件以及为什么选择这些器件。

该产品主要用于自动测试设备(ATE)中驱动受测设备(DUT)的电源。因此，对这种DPS有许多不同的要求，包括电压和电流规格（取决于它所驱动的受测设备类型），以及稳定性、精度等其它因素。

作为设备电源，AD5560必须能够及时提供受测设备所需的电压和电流。

受最大容许电压|AVDD − AVSS| ≤ 33 V限制，AD5560可以在−22 V至+25 V范围内实现25 V的峰峰值电压跨度。

此外，AD5560提供的电流范围可以高达±1.2 A。请注意，由于封装的功耗限制，在较高输出电压时无法提供1.2 A电流。

1.2 A输出能力主要针对向不大于3.5 V的低压轨供电。因此，在审查电压和电流要求时，需要考虑许多因素，例如：上裕量、下裕量(footroom)、最差情况下的功耗、供电轨、热性能等。

本电路旨在提供三个受测设备供电轨：

0 V 至25 V / 5 μA至25 mA0 V 至7 V / 500 mA0 V 至3 V / 1.2 A

 

本电路所选的器件和配置将根据上述组合专门定制。

欲了解该产品的其它用途或更详细信息，请参考AD5560数据手册。

AD5560 DPS可提供受测设备所需的电源电压和测量功能，但为了构成完整电路，仍需要若干其它器件：一个基准电压源；一个ADC，用来对测量结果进行数字化处理；以及一个温度监控器，用来测量内部检测二极管的温度，以便用户查看芯片或PC板上的温度梯度。

该ADC用来对测量输出进行数字化处理。根据基准电压和OFFSET DAC设置的不同，测量输出（MEASOUT引脚）可以提供不同的输出范围。

利用OFFSET DAC，可以使强制电压输出范围发生偏移，以实现不同的输出范围。本文关注的特定输出范围是0 V至25 V。因此，默认MEASOUT输出范围(MEASOUT GAIN = 1)也将是0 V至25 V。没有任何ADC能够直接处理这一输出范围，因此需要进行某种外部信号调理，使该范围与某一单极性或双极性ADC的输入范围相匹配。

MEASOUT还有一种设置(MEASOUT GAIN = 0.2)，可将MEASOUT输出范围调整偏移到0 V至5.125 V。（其中略微超量程，可用于校准等。）

对于本例，我们将使用0 V至5.125 V范围，这样就能方便地使用单极性输入ADC。

16位、250 kSPS ADC AD7685能够处理MEASOUT路径上的0 V至5 V输出范围，所以适合本应用。此外，如果希望升级路径，那么速度更快、尺寸相同的其它ADC（例如500 kSPSAD7686）也是颇具吸引力的选择。

ADC 考虑因素

 

每个DPS通道可以有一个专用ADC，从而提供最快的吞吐速率；或者也可以多个通道共用一个ADC。许多典型应用中，8个或16个通道共用一个ADC。

利用各MEASOUT引脚的内部禁用功能，可以实现多个通道共用一个ADC。这就要求对DPS寄存器执行写入命令，以使能/禁用相应的开关。如果选择这种方法，则应注意，一次只能选择一个MEASOUT。

或者，可利用外部4:1或8:1多路复用器来控制测量通道选择。以这种方式，可以使能所有MEASOUT路径，由多路复用器选择测量通道。类似地，采用16:1多路复用器时，可实现更多测量路径共享一个ADC。多路复用器的选择将取决于所用的ADC及其输入电压范围。（对于双极性输入ADC，ADG1404/ADG1204将是理想之选；若采用单电源，则ADG706或ADG708更合适。）MEASOUT路径的输出阻抗通常为60 Ω；除开关阻抗外，还应考虑使用一个ADC缓冲器来驱动ADC（例如，运算放大器ADA4898-1是合适的选择）。

基准电压源

由于需要25 V输出电压范围，因此选择5 V X-FET基准电压源ADR435 。该基准电压源具有出色的温度漂移性能和低噪声特性，能够驱动多个PMU通道。

温度监控器

AD5560具有16个温度监控二极管组成的阵列，分别位于芯片上的不同点。必须用电流驱动这些二极管来产生电压，从而指示芯片相应区域的温度。借助芯片上如此多的温度二极管，用户就能测量芯片或电路板在特定情况下的温度梯度。为此，选择ON Semiconductor的温度监控器ADT7461A，以便与片内温度二极管接口。由于本例中每个二极管均通过多路复用器与AD5560的GPO引脚相连，因此ADT7461A的串联电阻消除功能很重要。如果没有串联电阻消除功能，多路复用器的导通电阻将会产生测量误差。请注意，ADT7461A配有一个双线式接口。

 

补偿和前馈电容

作为设备电源，根据待测设备旁路和去耦要求的不同，AD5560可能会面对各种容性负载。本电路设计可处理0 μF至160 μF的容性负载。为了使内部补偿算法实现最佳稳定性，并建立至此负载范围内，需用表1所示的外部电容。

虽然有4个补偿输入引脚(C_CX) 和5个前馈电容输入引脚(C_FX)，但只有待测设备负载电容有较大变化时，用户才需要使用所有的电容输入。如果待测设备负载电容值已知，并且不会因电压范围与测试条件的组合不同而变化，则可以仅用一组C_CX和C_FX电容。有关补偿算法的详细信息，请参考AD5560数据手册。

C_CX和C_FX引脚的电压范围与FORCE上的预期电压范围相同；因此，选择电容时应考虑这一情况。C_FX电容可以具有10%的容差，特别是在低电流范围内测量电流时，这一额外变量会直接影响建立时间。C_CX 的容差不应大于5%。

输出电压范围

本设计电路的输出电压范围如下：

0 V至25 V / 5 μA至25 mA0 V至7 V / 500 mA0 V至3 V / 1.2 A

 

为配置这些供电轨组合，我们需要调整OFFSET DAC的设置。建议值为0xD1D，它可以实现上述范围。图2所示的例子说明如何分配AD5560来实现这些输出范围。

高电流(HC)电源路径二极管

由于AD5560可以输出高电流，提供最高1.2 A的电流范围，因此可将这些供电轨分为三种不同类型：低电流范围（5 μA至25 mA）采用AVDD/AVSS供电；中间电流范围（称为EXT2）采用HCAVDD2/HCAVSS2供电；高电流范围（称为EXT1）采用HCAVDD1/HCAVSS1供电。HC电源应始终等于或小于AVDD/AVSS供电轨。HC供电轨的作用是让用户选择电压较低的电源，以降低AD5560的功耗。EXT1和EXT2输出级设计要求供电电压高于待测设备电压。如果HC电源低于AVDD/AVSS电源，则可能会存在不符合上述要求的情况。因此，我们建议在HC电源与HC封装引脚之间的路径中添加一个二极管（如图2所示）。当EXT1级或EXT2级关断时，我们希望它保持关断，并且不会泄漏电流至待测设备。这样，该二极管与内部泄漏电阻一起，将可以提高HC封装引脚电压（接近AVDD/AVSS电源轨），从而使EXT1/EXT2输出级保持关断状态。图3和图4分别显示适合EXT1和EXT2范围的二极管电路详情。

该二极管需能够承载输出级所能提供的最高电流（包括瞬时电流/故障条件）。EXT1级的电流要求可能远高于EXT2级，因此在选择二极管时，最好分别为EXT1和EXT2选择不同的二极管（就电路板大小而言）。

为使总功耗和电源开销最小，压降应尽可能低。

二极管关断时的泄漏电流或反向电流应足够低，以确保HC引脚电压能够支持待测设备输出电压范围。二极管的反向电流会在内部泄漏电阻（EXT1为33 kΩ，EXT2为100 kΩ）上产生压降；因此，HC引脚电压会降低。

许多供应商均可提供合适的二极管，如ON Semiconductor、Vishay等。

可以用低导通电阻功率MOSFET代替二极管，如图5所示。由于FET上的压降远低于二极管，因而采用MOSFET的优势是可以降低总功耗。

请注意，分立功率MOS器件的漏极与源极之间存在一个寄生体二极管。此二极管的方向必须与MOS器件所代替的常用二极管的方向相同。同时必须为MOS栅极提供合适的驱动器。

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”，以及教程MT-101——“去耦技术”）。请注意，图1为原理示意图，并未显示所有必需的去耦。精心考虑电源和接地回路布局有助于确保达到额定性能。安装AD5560所用的印刷电路板(PCB)应采用模拟部分与数字部分分离设计，并限制在电路板的一定区域内。如果AD5560所在系统中有多个器件要求AGND至DGND连接，则只能在一个点上进行连接。星形接地点尽可能靠近该器件。

线性度测量

图6和图7显示FVMV（强制电压、测量电压）模式下系统的线性度测量结果。图6显示偏斜电源（+28 V、−5 V）的线性度。对于这一特定增益设置(MEASOUT GAIN = 0.2)，偏斜电源条件下线性度性能会降低。图7显示对称电源(±15 V)的线性度获得改善。两项测量均采用AD7685 ADC和图1所示电路进行。对于对称电源，FVMI（强制电压、测量电流）模式下的线性度测量结果如图8所示。

温度测量

用ADT7461A测得的温度梯度示例如图9所示。此处使用的散热器只是一个简易散热器，不存在气流。目的是帮助我们了解在1 A负载条件下，使用片内温度二极管的芯片温度梯度情况；功耗大约为5.4 W。二极管用编号表示（按照数据手册）；本例在不同时间点循环测量一些二极管。即使采用这一简易散热器，也可以看到芯片上存在17°C的温差。

根据所驱动的待测设备类型，DPS电路并非一定需要使用全部25 V范围。例如，用户利用基准电压源ADR421 (2.5 V)，可以实现较低的输出电压范围（标称范围为±6.4 V）。可以用片内OFFSET DAC对此范围进行调整，以便符合待测设备的要求（详情请参考ADR421数据手册）。如果所需电压范围比这还小，只需使用增益设置“m”寄存器进一步缩小该范围。对于“m”寄存器，可以使用¼的调整系数，同时仍然保持16位分辨率。对于这些低压应用，AD5560能够处理低得多的差分电源电压，使得|AVDD – AVSS| ≥ 16 V，因而AVDD/AVSS无需成为高压供电轨，这有助于降低AD5560的功耗。欲了解更多信息，请参考AD5560数据手册。

按ADC通道划分DPS测量通道有多种方式，多个PMU通道也可以共用一个ADC通道（有时以8:1或16:1的比率）。可以使用片内MEASOUT禁用特性。另外，也可以使用模拟多路复用器来实现此功能。这样会增加测量路径的串联电阻；因此，应当考虑缓冲ADC输入端之前的测量路径。许多ADC数据手册均含有适用ADC驱动器的建议。

16位、250 kSPS ADC AD7685能够处理MEASOUT路径上的0 V至5 V输出范围，所以适合本应用。此外，如果希望升级路径，那么速度更快、尺寸相同的其它ADC（例如500 kSPS AD7686）也是颇具吸引力的选择。

也可以选择其它ADC，例如具有双极性范围或更快采样速率的ADC。如果使用外部多路复用器，则对于双极性输入ADC，ADG1404/ADG1204是理想之选；若采用单电源，则ADG706或ADG708将更合适。

MEASOUT路径的输出阻抗通常为60 Ω；除开关阻抗外，还应考虑使用一个ADC缓冲器来驱动ADC（例如，运算放大器ADA4898-1是合适的选择）。