Zaloguj się
Koszyk
Większość współczesnych projektów elektronicznych wymaga wielu różnych napięć zasilania, aby działać poprawnie. W rzeczywistości wiele komponentów w danym układzie potrzebuje kilku napięć jednocześnie. Jest to szczególnie widoczne w wysoko zintegrowanych układach typu system-on-chip oraz w projektach mikroprocesorowych, gdzie współpracuje ze sobą wiele technologii.
Wykonywanie pomiarów linii zasilania DC staje się coraz trudniejsze z powodu wielu czynników, takich jak:
Prowadzi to do istotnego pytania: przy wszystkich tych wyzwaniach, jak zapewnić, że każda część systemu otrzymuje odpowiednie zasilanie spełniające jej wymagania?
Na początek przyjrzyjmy się bardzo ogólnie linii zasilania oraz jej podstawowym właściwościom.
Ważne jest, aby analizować każdą linię DC i sprawdzić, czy dostarczana moc mieści się w dopuszczalnym zakresie tolerancji dla danego systemu lub urządzenia. Obejmuje to zarówno nominalną wartość napięcia DC, jak i wszelkie obecne zakłócenia AC oraz sprzężenia.
Szum AC w sygnale linii zasilania można dalej podzielić na:
Wszystkie trzy źródła zakłóceń wpływają na jakość zasilania docierającego do urządzenia, dlatego ważne jest ich ograniczenie do poziomu, przy którym docelowy układ może działać poprawnie.
Zanim jednak będzie można zminimalizować te zakłócenia, należy je najpierw zobaczyć i dokładnie zmierzyć. Pomiary linii zasilania wiążą się jednak z szeregiem specyficznych wyzwań, dlatego trzeba wziąć pod uwagę:
Patrząc na wiele projektów systemów zasilania, może się wydawać, że pasmo systemu pomiarowego rzędu kilkudziesięciu MHz jest wystarczające. Większość układów przełączających pracuje w zakresie od setek kHz do kilku MHz. Większe konstrukcje fizyczne oraz urządzenia zasilane wyższymi napięciami były mniej wrażliwe na zakłócenia, dlatego zawartość szumów powyżej 20 MHz rzadko stanowiła problem.
Obecnie jednak, wraz ze zmniejszaniem rozmiarów układów i napięć zasilania, maleją również tolerancje. Sieci dystrybucji zasilania analizuje się coraz częściej jako środowiska linii transmisyjnych, badając takie zjawiska jak sprzężenia między liniami, impedancje oraz obszary rezonansowe (Rysunek 2).
Warto również pamiętać, że podstawowa częstotliwość przełączania przetwornic może być stosunkowo niska, ale szybkości narastania zboczy (rise time) są zazwyczaj znacznie większe, aby ograniczyć straty przełączania. Te szybkie zbocza oraz inne źródła zakłóceń mogą pobudzać sieć dystrybucji zasilania, generując szumy i harmoniczne o znacznie wyższych częstotliwościach.
W zależności od docelowego urządzenia i funkcji układu, te wyższe harmoniczne mogą zakłócać jego działanie. Dlatego wybór oscyloskopu i sondy o odpowiednio szerokim paśmie, umożliwiających obserwację tych zjawisk, jest kluczowy dla diagnozowania problemów związanych z zakłóceniami wysokoczęstotliwościowymi.
Firma Tektronix oferuje sondy do pomiaru linii zasilania o paśmie 1 GHz oraz 4 GHz, które bezpośrednio odpowiadają na te potrzeby.
Wybierz odpowiednie połączenie dla wykonywanego pomiaru.
Podczas oceny rozwiązania sondowania linii zasilania należy pamiętać, że sposób połączenia z badanym urządzeniem (DUT) jest najważniejszym czynnikiem wpływającym na jakość pomiaru. Połączenia zapewniające niską indukcyjność względem masy oraz minimalną efektywną pojemność ograniczają oscylacje (ringing) i zapewniają maksymalne dostępne pasmo. W praktyce realizuje się je za pomocą adapterów do wlutowania oraz wysokiej klasy złączy.
Adaptery mikro-koncentryczne (micro coax) oraz elastyczne adaptery do wlutowania zapewniają półtrwałe połączenie z badanym urządzeniem, co jest szczególnie przydatne przy powtarzalnych testach wykonywanych w nieplanowanych punktach pomiarowych (Rysunek 4).
Małogabarytowe złącza RF, takie jak MMCX stosowane w przewodach sond do pomiaru linii zasilania firmy Tektronix, umożliwiają powtarzalny i niezawodny dostęp do sygnałów, gdy projekt przewiduje możliwość testowania (design for test). Choć takie połączenia zapewniają najwyższą integralność sygnału, nie zawsze są wygodne, ponieważ wymagają modyfikacji badanego układu lub uwzględnienia punktów testowych już na etapie projektowania.
W przypadku szybszych i wygodniejszych pomiarów można używać końcówek typu browser oraz adapterów. Tektronix oferuje model TPRBRWSR1G, który umożliwia szybki dostęp do sygnałów o paśmie do 1 GHz. W zestawie znajdują się również małe klipsy do komponentów oraz adapter z pinem kwadratowym, co ułatwia podłączanie się do punktów testowych.
Warto zauważyć, że większość końcówek typu browser zazwyczaj obniża efektywne pasmo systemu pomiarowego. Na przykład adaptery z przewodami typu flying lead zakończone pinem kwadratowym zwykle nie oferują więcej niż kilkaset MHz efektywnego pasma. Pasmo to dodatkowo się zmniejsza po zastosowaniu klipsów i innych akcesoriów połączeniowych.
Ostatnim aspektem, który należy rozważyć przy wyborze metody połączenia, jest środowisko, w którym będą prowadzone pomiary. Wielu inżynierów zajmujących się walidacją systemów musi testować układy w ekstremalnych temperaturach. Specjalnie zaprojektowane przewody oraz końcówki do wlutowania, takie jak te dostępne w zestawie TPR4KITHT firmy Tektronix, umożliwiają testowanie urządzeń w zakresie od -55 do +155°C.
Wraz ze zmniejszaniem napięć zasilania (wynikającym z miniaturyzacji technologii półprzewodnikowych), konieczne stają się pomiary o bardzo niskim poziomie szumów, aby uchwycić niewielkie odchylenia na liniach zasilania DC. Dodatkowo, wiele projektów kładzie coraz większy nacisk na integralność zasilania (power integrity), co prowadzi do zaostrzenia tolerancji dla poszczególnych napięć.
Aby móc to dokładnie mierzyć, nie tylko oscyloskop musi charakteryzować się bardzo niskim poziomem szumów, ale również podłączona do niego sonda powinna wprowadzać ich jak najmniej. Im mniej szumu dodaje aparatura pomiarowa, tym większa pewność, że obserwowany sygnał odzwierciedla rzeczywiste zachowanie badanego urządzenia.
Wykonanie pomiaru bazowego szumu zarówno dla samego przyrządu, jak i podłączonych sond pozwala ocenić całkowity poziom szumów systemu. Proste pomiary, takie jak wartość szczyt–szczyt (peak-to-peak) oraz wartość skuteczna (RMS) napięcia na wejściu przy braku sygnału, stanowią szybki sposób porównania dodatkowego szumu wprowadzanego przez system pomiarowy (Rysunek 5).
Zauważ, że przy paśmie 1 GHz sonda dodaje jedynie 17 μV szumu do wejścia oscyloskopu.
Na przykład, jeśli wybierzemy zakres wejściowy 10 mV oraz specyfikację szumu losowego na poziomie 200 μV (wartość tę można znaleźć w karcie katalogowej oscyloskopu jako szum losowy i jest ona zwykle podawana w jednostkach Vrms), to stosunek sygnału do szumu (SNR) dla sondy 10× wyniesie: Z kolei sonda o niskim tłumieniu 1,25× miałaby stosunek sygnału do szumu (SNR) równy:
Parametry szumowe przyrządu zależą od ustawionej czułości pionowej — wyższa czułość (mniejsze zakresy napięciowe) zapewnia lepsze właściwości szumowe niż niższa czułość (większe zakresy).
Maksymalne wykorzystanie wysokości ekranu przez mierzony sygnał pozwala uzyskać większą rozdzielczość oraz dokładniejsze odwzorowanie sygnału przez przyrząd.
Z kolei przy ustawieniu niższej czułości pionowej sygnały mogą sprawiać wrażenie, że zawierają więcej szumu szczytowego (peak noise), niż ma to miejsce w rzeczywistości (Rysunek 7).
Funkcje takie jak High Res w oscyloskopach serii 4, 5 i 6 MSO firmy Tektronix umożliwiają dalsze ograniczenie szumów poprzez wykorzystanie nadmiarowej częstotliwości próbkowania do uzyskania próbek o wyższej rozdzielczości. Odbywa się to poprzez zastosowanie specjalnych sprzętowych filtrów FIR (finite impulse response), dobieranych w zależności od aktualnej częstotliwości próbkowania.
Filtry te zachowują maksymalne możliwe pasmo dla danego próbkowania, jednocześnie eliminując aliasing. Tryb High Res działa w czasie rzeczywistym, co stanowi jego przewagę — umożliwia rejestrację zdarzeń przejściowych oraz pomiary pojedynczych przebiegów (single-shot), w przeciwieństwie do metod uśredniania przebiegów.
W wielu projektach występuje główne napięcie zasilania (bulk supply), które jest następnie przekształcane przez różne przetwornice DC/DC do poziomów wymaganych przez poszczególne układy scalone i systemy.
Często napięcie główne jest wielokrotnie wyższe niż napięcia wymagane przez układy scalone. Na przykład w pojazdach napięcie 12 V DC jest przekształcane do poziomów poniżej 1 V, potrzebnych do zasilania procesorów w systemach infotainment oraz systemach bezpieczeństwa (Rysunek 8).
Nie jest też niczym niezwykłym, że centra danych zasilają serwery napięciem 12, 24 lub 48 V DC, które następnie jest przekształcane na inne poziomy napięć bezpośrednio na płycie głównej. Możliwość analizy każdego etapu tego łańcucha – od wyjścia zasilacza aż do wyprowadzenia układu scalonego – pozwala zidentyfikować zakłócenia przenoszone z innych domen napięciowych (Rysunek 9).
Z tego powodu ważne jest, aby wybrać sondę oferującą wystarczający zakres offsetu, umożliwiający obserwację wszystkich linii zasilania w badanej sieci dystrybucji energii. Jest to wyzwaniem, ponieważ wiele wejść oscyloskopów ogranicza dostępny offset w zależności od ustawionej czułości pionowej. Oznacza to, że przy niższych ustawieniach V/div dostępny offset jest mniejszy. (W poprzedniej sekcji pokazano, że dobór odpowiedniego zakresu czułości pionowej ma istotny wpływ na wyniki pomiarów).
Sondy o dużym tłumieniu zazwyczaj oferują większy zakres offsetu, jednak – jak wcześniej pokazano – zwykle wprowadzają więcej szumu niż sondy o niskim tłumieniu.
Problemy związane z offsetem DC można ominąć, stosując sprzężenie AC w oscyloskopie, które usuwa składową stałą sygnału. Jednak powoduje to utratę informacji o zjawiskach niskoczęstotliwościowych, takich jak zapady napięcia (voltage droop).
Jeśli możliwe jest dodanie odpowiedniego offsetu DC do sygnału wejściowego, sprzężenie DC zapewnia pełniejszy obraz zachowania urządzenia. Sprzężenie AC ukrywa bowiem informacje niskoczęstotliwościowe, takie jak powolne zmiany napięcia czy jego zapadanie się wraz ze zmianą obciążenia (Rysunek 10).
Sondy do pomiaru linii zasilania są specjalnie projektowane tak, aby zapewnić odpowiednio szeroki zakres offsetu, umożliwiający stosowanie sprzężenia DC dla większości linii zasilania. Modele TPR4000 i TPR1000 firmy Tektronix oferują zakres offsetu DC wynoszący ±60 V, co pozwala na pracę z typowymi standardami stosowanymi w motoryzacji, przemyśle oraz centrach danych.
Niektóre mikroprocesory oraz układy zarządzania zasilaniem (PMIC) wykorzystują funkcje oszczędzania energii, takie jak dynamiczne skalowanie częstotliwości i napięcia (DVFS), które zmieniają napięcie zasilania DC w zależności od obciążenia.
Funkcje te są trudne do analizy przy użyciu sprzężenia AC, ponieważ oscyloskop nie pokazuje informacji niskoczęstotliwościowych (Rysunek 11).
Wyzwaniem przy pomiarach linii zasilania w kontekście analizy integralności zasilania (power integrity) jest dobór takiej metody sondowania, która pozwoli obserwować wysokoczęstotliwościowe składowe AC na napięciu DC, a jednocześnie nie będzie nadmiernie obciążać składowej stałej, co mogłoby zniekształcić pomiar lub zakłócić pracę urządzenia.
Sondy o wysokiej impedancji zapewniają najlepsze warunki dla pomiarów DC, jednak często charakteryzują się zbyt dużym poziomem szumów lub niewystarczającym pasmem, aby obserwować interesujące zdarzenia wysokoczęstotliwościowe przy jednoczesnym sprzężeniu DC.
Z kolei linia transmisyjna 50 Ω zapewnia bardzo dobre warunki dla sygnałów wysokoczęstotliwościowych na linii zasilania, ale dla składowej DC działa jak dzielnik napięcia o niskiej impedancji.
Idealna sonda do pomiarów linii zasilania powinna więc oferować bardzo wysoką rezystancję dla DC oraz charakterystykę linii 50 Ω dla sygnałów AC. Sondy do pomiaru linii zasilania TPR4000 i TPR1000 firmy Tektronix zapewniają wysoką rezystancję DC na poziomie 50 kΩ, a przy wyższych częstotliwościach przechodzą w charakterystykę 50 Ω. Dzięki temu łączą zalety obu podejść i eliminują ograniczenia innych metod sondowania.
Analiza linii zasilania będzie nadal kluczowym narzędziem dla inżynierów, ponieważ znaczenie integralności zasilania stale rośnie. Sondy TPR4000 i TPR1000 firmy Tektronix zostały zaprojektowane specjalnie z myślą o unikalnych wyzwaniach pomiarowych i problemach związanych z podłączeniem podczas analizy napięć DC.
W połączeniu z możliwościami akwizycji i analizy oferowanymi przez oscyloskopy Tektronix stanowią one doskonałe narzędzie do analizy linii zasilania dla każdego inżyniera.
Design: Proformat