本系列的第1部分重点介绍用于测试低输出电压和高电流电源的高性能电子负载。它描述了特殊电子负载的必要性，例如需要的特殊电气特性，包括“现成的”测试设备和特殊设计的负载电路之间的比较。
第二部分将更详细地讨论一个专用负载装置的电气设计考虑。第三部分将深入探讨机械和热设计方面的考虑。
挑战:为什么传统的电子负载不够用
现代cpu、gpu、fpga和asic的电力需求在规模和性能上都在不断增加。供电电流要求已升至数百安培，供电带宽需要超过100 kHz，以满足严格的瞬态响应要求。与此同时，电源电压呈下降趋势，大多数磁芯电压现在低于1伏，有些甚至低至300毫伏。这些趋势使得使用传统的“台式”电子负载来描述合适电源的性能变得更加困难。
电阻损耗和寄生电感限制性能
商业上可用的电子负载结合了精密的控制接口，通常能够在高功率下降低非常大的电流。Chroma 63600系列就是一个很好的例子。该系列中有几种不同的型号，每种型号都适合不同的电压、功率和电流范围。对净空空间要求最低的型号是63640-80-80，它可以从一个400 mv的电源下沉约80a(图1)．这个操作点显示其最低可达到的阻力接近5 mΩ。每一种负载可下沉80 A，限制在400 W。
这是令人印象深刻的表现。但要测试一个300-A, 0.8-V的电源，至少需要4个63640-80-80负载模块并联，既要实现低于2.7 mΩ的有效导通电阻，又要处理总电流。Chroma 63600-5负载主机允许我们做到这一点:它在一个机箱中结合了多达五个负载模块，具有协调控制和测量功能。
然而，尽管有这些规范，一组台式负载的整体性能从根本上受到其与测试电源的电气连接的限制。例如,图2说明如何将大电流电源连接到一组电子负载上进行测试。
铜和铝“母线”导线进行连接，五个电子负载模块并联工作，处理电流和电源。不幸的是，这种测试装置的形状因素要求大电流导体跨越40厘米或更多，而这一路径长度会在被测电源和负载模块之间造成显著的电阻损耗。这增加的电阻削减到负载的电压净空，和寄生电感LP在导体中，对可达到的最大负载瞬态转换速率设置了一个不可避免的上限:
dI / dt马克斯≤VDUT/ LP
令人烦恼的是，并联的单个负载越多，测试设置就越大，相应地，连接母线中产生的电阻和电感损耗也就越大。显然，为了达到最高的回转率和最低的总电阻，需要一个更专业的电子负载解决方案。
电子负载要求
为了模拟被供电的半导体器件的行为，我们需要一个具有以下所有特性的电子负载:
- 负载电流转换率(dI/dt)尽可能高(理想情况下，转换率也是可调的)
- 负载电流精确可调
- 高功率耗散能力，具有峰值和连续耗散能力
- 能够以高保真度和宽带宽监测负载电流
为了在非常高的电流水平下测试低压电源，电子负载必须具有超低的最小“导通电阻”。最后，电子负载必须设计成以最小的电阻和电感连接到被测电源，否则整体性能将受到互连本身的限制。
电源测试用电子负载的类型
简单的电阻负载
我们能想到的最简单的负载是一个功率电阻。如果尺寸和冷却正确，可以满足高功耗的要求，并可以直接监测电流(通过测量已知电阻上的电压)。串联添加一个开关可以生成一个负载瞬态。然而，负载要么完全开启，要么完全关闭，电流将取决于被测电压。当前的转换速率既不能控制也不能调节。显然，这不是一个灵活的解决方案，不能适应广泛的测试需求。
有功电流沉
为了提供可变负载和可控制的电流转换速率(负载电流上升和下降的速率)，有必要在运放的基础上构造一个有源电流吸收电路。该电路的拓扑结构如图所示图3．运放驱动功率MOSFET的栅极，通过感应电阻建立控制电压。这导致了一个控制负载电流，从漏极流到MOSFET的源，并通过感测电阻到地。功率MOSFET增加了电流增益，但没有增加电压增益，因为它是作为一个共漏放大器，也被称为源跟随器。
这个电路可以用一个n通道MOSFET和一个传感电阻在低侧，或者用一个p通道MOSFET和一个传感电阻在高侧来实现。在后一种情况下，将电路描述为电流源更为恰当。无论哪种方式，感测电阻增加了一点负反馈，因为它连接在MOSFET的源端，随着电流的增加而减少栅极到源端的电压，相反地，随着电流的减少而增加栅极驱动，这有助于稳定。
一个实际实施的有源电流汇聚电路与n通道MOSFET显示在图4．该电路是一个简单的电流接收器的结合图3还有一个差分放大器。这种拓扑结构通过考虑输入信号(GND)和检测电阻(GND)低侧接地电位的动态和静态差异来提高精度。
该电路产生的负载电流与控制信号的电压成正比(图4中标注的负载波形)，增益由输入电阻和增益设定电阻之比设定。例如，利用叠加原理对电路进行分析图4，我们看到电流跟随输入信号，按增益1/2和传感电阻缩放。
因此，感应电阻指的是电源地，输入信号指的是信号地。差分放大器配置最大限度地减少了功率地和信号地移位对电流汇聚精度的不利影响。
与简单的开关电阻相比，有源电流吸收电路有许多优点。与简单电阻不同，有源电流汇聚器可以产生从零安培到最大电流的可变负载电流。此外，由于负载电流是由运放以闭环方式控制的，因此电流对控制信号的跟踪非常精确。因此，有源电流接收器可以实现控制的电流转换速率。最后，由于电路中有一个定值电阻元件，精确的高带宽负载电流测量相对简单。
图5说明了一种可以添加第二个放大器来报告负载电流的方法。在这种情况下，它被配置为一个跨导放大器，以方便对来自多个电流吸收电路的电流测量信号进行求和。
结论
在掌握了有源电子负载电路的基本原理之后，接下来要进行的是器件的选择和电路的布局。请观看这个由三部分组成的系列文章的第二部分，以获得更多的见解。
Dwight Larson，他是云和数据中心业务部门技术人员的主要成员马克西姆集成．
