Misure di integrità sull’alimentazione

La misura del rumore sugli alimentatori sta diventando sempre più importante all’aumentare del numero dei sistemi elettronici equipaggiati con microcontrollori e altri componenti sensibili, che possono essere in qualche disturbati da transitori presenti sulle linee di alimentazione. Nel primo di questi due articoli, pubblicato sul numero di gennaio di Power Electronics, abbiamo sintetizzato i principi fondamentali delle misure di integrità sulle linee di alimentazione, comprese le sorgenti principali di rumore, le sfide da affrontare nelle misure, l’utilizzo dell’attenuazione e della funzione Fft. In questo articolo forniremo invece dieci consigli pratici per migliorare le misure sui sistemi di alimentazione.

1 - Scegliete il percorso di misura a minor rumore dell’oscilloscopio

Per misurare meglio qualunque tipo di rumore presente sull’uscita del vostro alimentatore in corrente continua, cercate di minimizzare il rumore dovuto al vostro sistema di misura (in questo caso un oscilloscopio). In molti oscilloscopi l’ingresso a 50 Ω ha un rumore inferiore rispetto a quello dell’ingresso a 1 MΩ. È utile effettuare una misura dello zero dell’intero sistema di misura composto da oscilloscopio e sonde, per controllare che sia adatto alle misure del rumore che desiderate effettuare sul vostro alimentatore. Per effettuare la misura dello zero, configurate il vostro oscilloscopio e le sonde nel modo in cui intendete utilizzarle, e poi cortocircuitate l’ingresso verso massa (oppure cortorcircuitate i due ingressi di una sonda differenziale) e misurate il rumore.

2 - Limitate la larghezza di banda per ridurre il rumore del sistema di misura

Il livello di rumore di un oscilloscopio e della sonda è una funzione della frequenza. Limitando la larghezza di banda utilizzata allo stretto necessario, si riduce il contributo di rumore dovuto alla sonde e all’oscilloscopio. Ad esempio, in un oscilloscopio MSOS804A di Keysight Technologies (8 GHz, Adc a 10 bit, 20 GSample/s) con una sonda per linee di alimentazione N7020A (2 GHz, attenuazione 1:1), il rumore che appare misurando lo zero è di 1,040 μV con un larghezza di banda di misura di 2 GHz, rispetto ai 460 μV che appaiono con una larghezza di banda di misura di 20 MHz.

3 - Utilizzate la minor attenuazione possibile per ridurre il rumore del sistema di misura

Le sonde degli oscilloscopi sono disponibili con svariati rapporti di attenuazione, tra cui l’ampiamente diffuso rapporto 10:1 tipico delle sonde passive, che permette di effettuare misure su segnali che altrimenti supererebbero i valori di tensione massima d’ingresso dell’oscilloscopio. Il rovescio della medaglia dell’attenuazione è che il rapporto tra il rumore dell’oscilloscopio e del segnale cresce proporzionalmente con il rapporto di attenuazione. Ad esempio, in una misura di un’onda sinusoidale a 20 MHz da 50 mV p-p eseguita con una sonda con attenuazione10:1, il valore misurato dall’oscilloscopio è di 65 mV p-p, mentre con una sonda 1:1, il valore misurato è di 52 mV p-p, ovvero un aumento del 25 % dovuto alla riduzione del rapporto segnale/rumore causato dal maggior rapporto di attenuazione della sonda. Il miglior consiglio? Usare la sonda con il minor rapporto di attenuazione possibile.

4 - Utilizzate l’offset della sonda per aumentare il range dinamico

L’offset è una funzionalità offerta dalla sonde attive che permette di rimuovere da un segnale la sua componente continua, ad esempio per misurare meglio un piccolo segnale in alternata sovrapposto a un segnale in continua. La Fig. 1 mostra l’impatto dell’applicazione dell’offset sulla sonda, con la differenza dovuta all’attenuazione altrimenti da applicare all’oscilloscopio per lavorare con un’impostazione verticale in V/div più elevata. Vale la pena ricordare che la maggior parte delle sonde attive che offrono la funzione offset hanno anche un rapporto di attenuazione più elevato, il che può far apparire il rumore dell’oscilloscopio più significativo, come spiegato precedentemente.

5 - Tenete conto delle limitazioni del blocco della componente continua

Il blocco della componente continua (Dc block) è costituito da un particolare condensatore di capacità elevata che può essere collegato in serie al segnale per rimuoverne componenti continue di elevato valore, così che l’oscilloscopio possa essere impostato su una scala verticale più sensibile. La limitazione del blocco della componente continua è che impedirà il passaggio anche delle componenti alternate a bassa frequenza, come le derive o la compressione dell’uscita dell’alimentatore. L’utilizzo di un blocco della componente continua impone anche di dover effettuare le misure in continua, come la misura della tensione di alimentazione, utilizzando uno strumento diverso, ad esempio un multimetro.

6 - Minimizzate il carico delle sonde e dell’oscilloscopio sull’alimentatore

Quando una sonda di un oscilloscopio viene collegata a un sistema, essa modifica il comportamento del sistema che si intende misurare. È opportuno minimizzare il carico che causa tali modifiche, e nel caso di misure sugli alimentatori in corrente continua, uno delle più comuni cause di carico eccessivo è l‘utilizzo del cavo coassiale da 50 Ω che collega l’alimentatore all’ingresso dell’oscilloscopio. L’utilizzo dell’ingresso a 50 Ω e di un cavo schermato è utile per sfruttare il cammino a basso rumore, ma l’oscilloscopio presenterà un carico verso l’alimentatore di 20 mA/V, così che una linea di alimentazione da 3,3 V vedrà un assorbimento di 66 mA da parte dell’oscilloscopio. Un approccio migliore è quello di usare una sonda per misure su linee di alimentazione, come il modello N7020A, che è caratterizzata da un’impedenza di ingresso in continua di 50 kΩ. La tensione di alimentazione è stata misurata da un multimetro digitale a 3,31 V, rispetto ai 3,25 V misurati con un cavo coassiale collegato all’ingresso a bassa impedenza dell’oscilloscopio.

7 - Utilizzate le analisi nel dominio della frequenza

L’utilizzo della funzione Fft dell’oscilloscopio permette di osservare i segnali nel dominio della frequenza per aiutarci a identificare le sorgenti che contribuiscono a creare del rumore sulla linea di alimentazione. In questo esempio, possiamo osservare un convertitore switching Dc/Dc funzionante a 2,8 MHz che trasforma la tensione da 5 V a 3,3 V.
Sulla scheda sono presenti anche dei segnali di clock a 10 MHz e 125 MHz. In questo caso, stiamo seguendo i suggerimenti indicati precedentemente utilizzando l’attenuazione 1:1 offerta dalla sonde per linee di alimentazione N7020A di Keysight, con un offset delle sonda impostato di 3,3 V e una larghezza di banda limitata a 500 MHz, per misurare il rumore sull’uscita dell’alimentatore a 3,3 V. La sonda è collegata a un oscilloscopio Serie S di Keysight. La Fig. 3 mostra i risultati di questa misura nel dominio del tempo, per un periodo di circa 360 ns, con i residui del segnale di switching a 2,8 MHz. Quello che non è chiaro è l’impatto sull’alimentazione a 3,3 V dei segnali di clock a 10 MHz e 125 MHz. La Fig. 4 mostra gli stessi dati nel dominio della frequenza. Utilizzando la funzione Fft abbiamo impostato due finestre che coprono due diverse porzioni di spettro, dove possiamo chiaramente vedere un picco a 2,8 MHz, correlato alla frequenza di switching del convertitore, e dei picchi a 10 MHz e 125 MHz, che rappresentano il rumore accoppiato dovuto ai due segnali di clock.

8 - Utilizzate il trigger per misurare le componenti di rumore presenti

Un altro modo per comprendere l’origine del rumore, è di usare il trigger per rilevare le componenti di rumore provenienti da altre parti del sistema che si accoppiano alla linea di alimentazione. Immaginiamo di misurare il regolatore switching a 2,8 MHz in un sistema con clock a 10 MHz. La Fig. 4 mostra i risultati delle misure. Il primo passo è di usare la Fft per verificare che il clock a 10 MHz si stia realmente accoppiando all’uscita dell’alimentatore. Una volta verificato questo fatto (come in precedenza), possiamo impostare il trigger su quel clock e attivare la funzione media per eliminare il rumore casuale e altre componenti di segnale che non sono coerenti con il clock. Il risultato finale è una traccia dove sono presenti quelle porzioni di rumore dell’alimentatore che sono correlate al clock a 10 MHz, come illustrato nella Fig. 5.

9 - Utilizzate una larghezza di banda sufficiente

Come spiegato precedentemente, troppa banda può introdurre del rumore non necessario alla nostra misura. Troppa poca banda può farci perdere la presenza di rumore e di transitori ad alta frequenza che possono influenzare i segnali di clock e dati. Le correnti di commutazione dovute a elementi circuitali come linee di clock e dati e da altre sorgenti, possono richiedere una larghezza di banda di oltre 1 GHz per essere osservate adeguatamente.

10 - Considerate l’utilizzo di una sonda per linee di alimentazione N7020A

Seguendo questi consigli dovreste riuscire a ridurre il rumore del sistema di alimentazione quando vorrete analizzare il rumore presente sulle linee di alimentazione e identificarne le sorgenti. Queste tecniche funzionano ancora meglio se usate insieme a una sonda dedicata alle misure sulle linee di alimentazione, come il modello N7020A di Keysight. La sonda ha un rapporto di attenuazione 1:1, la possibilità di impostare l’offset a ± 24 V e si collega all’ingresso a 50 Ω dell’oscilloscopio. Inoltre, ha una larghezza di banda di 2 GHz per catturare il rumore e i transitori ad alta frequenza che potrebbero causare fenomeni di jitter sui segnali di clock e dati. Utilizzata con un oscilloscopio come uno dei modelli Infiniium Serie S di Keysight, la sua larghezza di banda può essere limitata per ridurre il rumore quando la sua intera banda passante di 2 GHz non è necessaria.

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