reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© adistock dreamstime.com Technologie | 16 lutego 2016

Integralno艣膰 zasilania

Wykorzystanie analizy FFT i uk艂adu wyzwalania oscyloskopu do identyfikacji 藕r贸de艂 szum贸w w zasilaczach
Ci膮g艂y rozw贸j technologii post臋puj膮cy zgodnie z prawem Moore鈥檃 oraz szeroka oferta rynkowa tanich mikrokontroler贸w sprzyjaj膮 produkcji r贸偶nego rodzaju produkt贸w elektronicznych o stale rosn膮cej funkcjonalno艣ci. Te nowoczesne produkty wyposa偶one w wiele wbudowanych funkcji wymagaj膮 藕r贸de艂 zasilania DC o coraz lepszych parametrach. Jednym z problem贸w do艣wiadczanych przez projektant贸w tych urz膮dze艅 jest dostarczenie “czystego” zasilania do ich obwod贸w.

Badanie skuteczno艣ci dostarczania zasilania DC z wyj艣膰 przetwornicy do bramek logicznych okre艣la si臋 mianem integralno艣ci zasilania. Oscyloskopy czasu rzeczywistego s膮 najcz臋艣ciej u偶ywanymi przyrz膮dami do pomiaru zaburze艅, szum贸w, odpowiedzi impulsowej i innych parametr贸w. W artykule opisano spos贸b wykorzystania analizy FFT i uk艂adu wyzwalania oscyloskopu do analizy 藕r贸de艂 szum贸w zasilaczy.

Problem

Jako艣膰 zasilania nabiera coraz wi臋kszego znaczenia wraz z rosn膮c膮 g臋sto艣ci膮 upakowania elektroniki i szybko艣ci膮 dzia艂ania kolejnych generacji urz膮dze艅. Fluktuacje napi臋cia na szynie DC mog膮 by膰 najwi臋kszym 藕r贸d艂em jitteru sygna艂贸w zegara i danych w systemach cyfrowych. Okre艣la si臋 go mianem PSIJ (power supply induced jitter). Obni偶enie napi臋cia zasilaj膮cego uk艂ad cyfrowy mo偶e zmniejszy膰 czas propagacji sygna艂u przechodz膮cego przez bramki logiczne
urz膮dzenia, skutkuj膮c zmniejszeniem margines贸w czasowych lub nawet pojawianiem si臋 b艂臋d贸w bitowych. Wraz z rosn膮c膮 szybko艣ci膮 prze艂膮czania i szybko艣ci膮 narastania napi臋cia (slew rate) ro艣nie te偶 prawdopodobie艅stwo indukowania w zasilaczu zaburze艅 impulsowych.

Powstaj膮ce w wyniku tego zaburzenia cz臋stotliwo艣ci prze艂膮czanych pr膮d贸w mog膮 艂atwo przekroczy膰 granic臋 1 GHz. Zwi臋kszanie sprawno艣ci i redukcja poboru mocy stanowi膮 kolejne wyzwania dla projektant贸w. Aby utrzyma膰 pob贸r mocy w akceptowalnym zakresie musz膮 oni obni偶a膰 napi臋cia zasilaj膮ce i/lub zaw臋偶a膰 tolerancje parametr贸w zasilaczy. Dlatego te偶 du偶ym wyzwaniem stoj膮cym przed projektantami jest pomiar coraz mniejszych i szybszych sygna艂贸w AC w zasilaczach.

Szum zasilacza DC

W idealnym przypadku zasilacz DC nie powinien generowa膰 偶adnych zaburze艅. W jaki wi臋c spos贸b one powstaj膮? Zwyk艂y szum o rozk艂adzie Gaussa obecny na wyj艣ciu zasilacza wynika z niemo偶liwego do wyeliminowania szumu termicznego generowanego przez podzespo艂y. Zazwyczaj nie jest on jednak 藕r贸d艂em dominuj膮cym.

Dominuj膮ce 藕r贸d艂a zaburze艅 w zasilaczu DC to jego impulsowy tryb pracy oraz zaburzenia indukowane przez obci膮偶enie pobieraj膮ce moc r贸wnie偶 w spos贸b impulsowy. Zaburzenia generowane w wyniku pracy impulsowej mog膮 pozornie wydawa膰 si臋 losowe w funkcji czasu, jednak maj膮 tendencj臋 do korelowania si臋 z sygna艂ami zegarowymi systemu.

Zak艂adaj膮c, 偶e zaburzenia na wyj艣ciu zasilacza wynikaj膮 z po艂膮czenia “sygna艂贸w” generowanych w wyniku jego impulsowej pracy i impulsowego poboru pr膮du przez obci膮偶enie b臋dziemy mogli 艂atwiej zmierzy膰 je i przeanalizowa膰.

Bior膮c pod uwag臋 szerokopasmowy charakter zaburze艅 wytwarzanych przez zasilacz DC, cz臋sto preferowanym sposobem ich pomiaru jest zastosowanie oscyloskopu o odpowiednio szerokim pa艣mie, zreszt膮 r贸wnie偶 ze wzgl臋du na jego dost臋pno艣膰 i 艂atwo艣膰 obs艂ugi.

Analiza w domenie cz臋stotliwo艣ci

Analiza FFT w oscyloskopie
Oscyloskop rejestruje sygna艂 jedynie w oknie o okre艣lonej szeroko艣ci, bazuj膮c na pojemno艣ci wewn臋trznej pami臋ci i szybko艣ci pr贸bkowania. Analiza FFT nie pozwala “zobaczy膰” sk艂adowych sygna艂u wej艣ciowego o cz臋stotliwo艣ciach mniejszych ni偶 odwrotno艣膰 szeroko艣ci jego okna czasowego. Najmniejsza cz臋stotliwo艣膰 mog膮ca by膰 zobrazowana przez oscyloskop z wykorzystaniem analizy FFT jest okre艣lona zale偶no艣ci膮 1/[1/(szybko艣膰 pr贸bkowania) X (g艂臋boko艣膰 pami臋ci)]. Aby zobrazowa膰 podejrzane 藕r贸d艂o zaburze艅 za pomoc膮 FFT nale偶y upewni膰 si臋, 偶e g艂臋boko艣膰 pami臋ci jest wystarczaj膮ca do zebrania odpowiedniej liczby pr贸bek. Na przyk艂ad, je艣li zasilacz impulsowy pracuje z cz臋stotliwo艣ci膮 taktowania 33 kHz, pr贸bki nale偶y zbiera膰 przez 1/(33 kHz) czyli 30 渭s, aby zobrazowa膰 t膮 cz臋stotliwo艣膰 za pomoc膮 FFT. Przy szybko艣ci pr贸bkowania 20 GSa/s odpowiada to g艂臋boko艣ci pami臋ci wynosz膮cej 600 tys. punkt贸w. Analiza FFT typowo opiera si臋 jedynie na danych widocznych na ekranie oscyloskopu.
Wykorzystanie oscyloskopowej analizy FFT do zobrazowania sygna艂u w dziedzinie cz臋stotliwo艣ci mo偶e by膰 pomocne w identyfikacji 藕r贸de艂 maj膮cych najwi臋kszy wp艂yw na zaburzenia wytwarzane przez zasilacz.

Wykorzystamy przyk艂ad przetwornicy DC鈥怐C obni偶aj膮cej napi臋cie z 5 do 3,3 V. Pracuje ona z cz臋stotliwo艣ci膮 taktowania 2,8 MHz. Gdzie艣 w systemie znajduj膮 si臋 te偶 obwody zasilane napi臋ciem 5 V i taktowane zegarem o cz臋stotliwo艣ci 10 MHz. Przy wykorzystaniu specjalnej sondy dla linii zasilaj膮cych Keysight N7020A Power Rail i oscyloskopu S鈥怱eries badamy przebieg wyj艣ciowy zasilacza 3,3 V.

R贸wnocze艣nie przy u偶yciu zwyk艂ej sondy pasywnej obserwujemy sygna艂 zegarowy 10 MHz. Na rysunku 1 wida膰 przebiegi czasowe sygna艂u z wyj艣cia zasilacza 3,3 V i sygna艂u zegara oraz reprezentacj臋 cz臋stotliwo艣ciow膮 sygna艂u wyj艣ciowego z zasilacza 3,3 V wyznaczon膮 z wykorzystaniem funkcji FFT wbudowanej w oscyloskop. Na przebiegu czasowym sygna艂u 3,3 V z wyj艣cia zasilacza wida膰 wyra藕nie sk艂adow膮 o okresie ok. 360 ns zwi膮zan膮 z cz臋stotliwo艣ci膮 pracy zasilacza wynosz膮c膮 2,8 MHz. Por贸wnuj膮c sygna艂 z wyj艣cia zasilacza 3,3 V z sygna艂em zegara 10 MHz nie mo偶na by膰 pewnym, czy sygna艂 zegara ma jakikolwiek wp艂yw na sygna艂 wyj艣ciowy zasilacza.

Jednak obserwuj膮c reprezentacj臋 cz臋stotliwo艣ciow膮 sygna艂u wyj艣ciowego wida膰 wyra藕nie pr膮偶ki zwi膮zane z cz臋stotliwo艣ci膮 pracy zasilacza 2,8 MHz (i jej harmoniczne) oraz pr膮偶ek na cz臋stotliwo艣ci 10 MHz zwi膮zany z zaburzeniami wprowadzanymi przez zegar. Obserwacja w dziedzinie cz臋stotliwo艣ci prowadzona obok obserwacji przebiegu czasowego pozwala wi臋c lepiej identyfikowa膰 poszczeg贸lne 藕r贸d艂a zaburze艅.


Rys. 1. Sygna艂 wyj艣ciowy zasilacza 3,3 V (2 g贸rne przebiegi) i zegara 10 MHz (kolejne 2 przebiegi) oraz widmo sygna艂u z wyj艣cia zasilacza 3,3 V.

Wykorzystanie uk艂adu wyzwalania i pomiar sk艂adowych sygna艂u z zasilacza

Wykorzystuj膮c funkcj臋 FFT oscyloskopu zaobserwowali艣my, 偶e cz臋艣膰 zaburze艅 sygna艂u wyj艣ciowego zasilacza pochodzi od sygna艂u zegara i uk艂ad贸w cyfrowych z zasilanego urz膮dzenia. Maj膮c te informacje, nast臋pnym krokiem projektanta mo偶e by膰 okre艣lenie jak du偶y wp艂yw na wytwarzane zaburzenia maj膮 zaburzenia wprowadzane przez zegar 10 MHz. W
wyniku tego mo偶na b臋dzie podj膮膰 decyzj臋 o wprowadzeniu ewentualnych zmian w projekcie mog膮cych zminimalizowa膰 ich wp艂yw.

Uk艂ad wyzwalania oscyloskopu mo偶e pom贸c w wizualizacji i pomiarze sk艂adowych zaburze艅 na wyj艣ciu zasilacza wprowadzanych z zewn膮trz i koherentnych w fazie z innymi elementami systemu. Aby to zademonstrowa膰 pod艂膮czymy do wej艣膰 przyrz膮du jednocze艣nie sygna艂 z wyj艣cia zasilacza i sygna艂 zegara 10 MHz. Nast臋pnie skonfigurujemy oscyloskop tak, aby by艂 wyzwalany narastaj膮cym zboczem zegara 10 MHz. W ko艅cowym etapie zmienimy tryb akwizycji na
u艣rednianie. U艣redniaj膮c kolejne paczki danych, w tym przypadku 1024 b臋dziemy w stanie wyeliminowa膰 ca艂y szum przypadkowy pochodz膮cy od innych element贸w systemu, niekoherentnych z sygna艂em zegara. W wyniku tego otrzymamy obraz wy艂膮cznie tych zaburze艅, kt贸re s膮 skorelowane z zegarem 10 MHz. Przedstawia to rysunek 2.

Czy warto wprowadza膰 do projektu zmiany maj膮ce na celu zminimalizowanie lub wyeliminowanie zaburze艅 wprowadzanych przez zegar w tym konkretnym przypadku? T膮 decyzj臋 musi podj膮膰 sam projektant, analizuj膮c uzyskane informacje i inne parametry systemu.


Rys. 2. Wyzwalanie sygna艂em zegara 10 MHz i w艂膮czenie u艣redniania pozwala usun膮膰 szum losowy i sk艂adowe niekoherentne z zegarem. W wyniku tego otrzymujemy obraz zaburze艅 na wyj艣ciu zasilacza 3,3 V zwi膮zanych z obecno艣ci膮 zegara 10 MHz

Podsumowanie

Wyizolowanie wszystkich mo偶liwych 藕r贸de艂 zaburze艅 sygna艂u na wyj艣ciu zasilacza DC jest kluczowym zadaniem in偶yniera zajmuj膮cego si臋 kwesti膮 integralno艣ci zasilania. Po ich zidentyfikowaniu mo偶na podj膮膰 kroki prowadz膮ce do ich wyeliminowania. Dost臋pna w oscyloskopie funkcja analizy FFT pozwala zaw臋zi膰 obszar poszukiwa艅 i 艂atwiej zidentyfikowa膰 poszczeg贸lne 藕r贸d艂a zaburze艅. Nast臋pnie wykorzystuj膮c uk艂ad wyzwalania i funkcj臋 u艣redniania sygna艂u mo偶na zweryfikowa膰 czy s膮 maj膮 one wp艂yw na sygna艂 wyj艣ciowy zasilacza

漏 AM Technologies

Artyku艂 opublikowano dzi臋ki uprzejmo艣ci firmy AM Technologies
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
December 13 2018 13:08 V11.10.14-2