2010-03-17 NXTP 電源供應器概述 (2) IFPS 黎煥欣, 簡文鵬
在上一篇提到說整個 NXTP 模組分好幾個部份. 真正輸出電力的是 IFPS 模組. 在上一次的設計中, 所有的東西在一塊板子上, 有任何一個 channel 壞掉, 要修理或更換模組是非常困難的事. 所以這一次, 每一個單獨電源, 而只用一個板子來供給, 那一個壞了就換它就好了. 對應於上次的設計, 算是走另一個極端.
而即然設計在一個單板上, 有鑑於上次的經驗, 過電流, 低電壓, 自動切斷輸出, 另外再加了當初交大 Robert 教授建議的定電流操作線路, 就變成現在使用的 IFPS 線路. 它同是也是模組式. 可以在主板上交換.
即然設計規範已經定了出來. 先就第一部份, 異常狀況的處理. 下面是方塊圖. 
+12V 總電源會經過一個開關 (實際上是一個 P-channel MESFET, IRF9530 ), 而由一個 D-FF 收到任何要關掉的信號 (manual off, Low Voltage, Over Current) 時, 就會自動切掉開關. 當中最重要的角色就是在輸出部份量測電流的電流計. 實際上就是一顆 SOT23 (2mmx3mm), 小小的 IC. 但可以精確的量出電流值 (配合精密的 R shunt 0.1 Ohm 1% ). 輸出的電壓值再與預先設定的 Imax 比較 (LM393 比較器), 若大於 Imax, 就直接關掉輸出. 除非用手動的方式再開. 操作的方式與無熔絲開關很像.
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有了規格及構想, 預計要用的片數有60~70片, 當然一定要洗板子打件, 但總要先確認設計正確, 下圖就是用萬用板做出的 prototype. 接上 IF1 module 的測試.
測試內容當然就是裝一個負載, 看開機的反應及讀回數值的準確性.下圖是開機時電壓 (黃線) 及電流 (藍線) 的變化. 負載是一個單純的水泥電阻. 所以曲線完全符合純 R Load 的情形. 操作速度在 12us 的範圍. (MESFET switch 的速度很快)
關機就更正常了, 電容放完電電流也沒了. 整個過程約也是 10us.
過電流自動關閉的功能測試如下圖, 第一種是電流較原來大了兩倍, 剛好超過了 Imax 的設定, 系統花了~130us 關掉它, 中間的 delay 包含 comparator, photo-copular 及 MESFET.
第二種型態是輸出短路, 電流一下子很高 (在此例為 5A), 連電壓都被拉下來, turn off 的時間大約也是 120us.
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當然另外一個規格要求就是輸出定電壓及定電流的能力. RF amp 常有一個 負電壓的 VG bias. 它會決定 amp 的工作點, 當然也就是工作電流. 過去 VG 值是用一個定電壓的方式操作. 而當 RF 信號以不同強度及頻率的信號進入 RF AMP 中時, 它的工作條件是改變的, 而若 VG 不變, 它的操作電流就會改變. 工作點及特性也就變了. 這點讓我們要控制 AMP 的操作非常有問題.
新版本的 IFPS 即然可以檢知電流的大小, 那利用它當 feedback 機制. 應該可以達到定電流的效果. 只不過電流計輸出是正電壓, 檢知電流越大輸出電壓越大. 而 VG 是負電壓, VG 越靠近 0V AMP 工作電流就越大. 最後設計出來的反饋機制的方塊圖如下:
而實際測試定電流線路, 就是拿一個真的 IF1 AMP 來測試
下面是接好電源, IF1 無信號輸入, 此時電流定在 297mA, VG 在 -2.79V
再將 IF1 送入 5GHz, 0dBm 的強信號, 它的工作狀態改變了, VG 也變成 -3.18V, 但電流還是在 299mA, 與原來只差了 2mA.
用示波器可以看出調整的過程, 藍線是 VG, 黃線是電流值. 當工作狀態變化, 電流跟著變小, 但反饋線路隨及將 VG 變大 (往 0 接近), 電流又恢復原值. 工作點沒有因工作狀態的變化而變化. 整個過程花了約 200us 就完成了.
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在萬用板上的測試過關後, 因為總數需要約 70 ~ 80 片, 總是要畫成正式的線路圖, 洗板子, 打件, 測試及真正與整個 IF 模組結合. 又出了很多意料之外的問題, 當然那就是後面的故事了. 下圖是一個 IFPS 模組的線路圖大樣. 
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