Misure di alimentazione con l’oscilloscopio a segnali misti

La maggior parte dei sistemi embedded utilizza più di un power rail (ovvero il terminale che fornisce l’alimentazione) e in molti questo numero può salire a quattro (e oltre). Un singolo circuito integrato, come ad esempio un Fpga, un Dsp o un microcontrollore, può richiedere la presenza di parecchi power rail ciascuno dei quali caratterizzato da requisiti specifici in termini di temporizzazione. Un produttore di chip, ad esempio, può consigliare di attendere la stabilizzazione della tensione di alimentazione del core prima di fornire la tensione di alimentazione agli I/O. Oppure richiedere che i valori della alimentazioni aumentino entro un tempo prestabilito le une rispetto alle altre per evitare differenze di tensione prolungate sui vari pin di alimentazione. Anche la sequenza di accensione tra processori e memoria esterna può essere critica. I produttori di chip possono anche specificare che alimentazioni specifiche debbano crescere monotonicamente per evitare il verificarsi di parecchi fenomeni di Por (Power-on reset). Ciò può rappresentare un problema perché le correnti di spunto impongono notevoli sollecitazioni, in termini di transitori, ai regolatori PoL (Point of Load). In questo caso la forma d’onda relativa all’avviamento del power rail ha un’importanza pari a quella della sequenza di temporizzazione. Una volta soddisfatti i requisiti dei vari fornitori di chip e predisposte tutte le sorgenti di alimentazione (alimentatori “bulk”, alimentatori di riferimento e regolatori PoL per gli altri integrati presenti nel circuito), il numero di power rail può arrivare rapidamente a sette o otto. Anche se l’utilizzo di un oscilloscopio a 4 canali per verificare la temporizzazione dei power rail in un sistema embedded può richiedere parecchio tempo, questo è l’approccio adottato da un gran numero di progettisti. La valutazione delle sequenze di accensione e spegnimento è, secondo gli utilizzatori di un oscilloscopio, una delle ragioni più comuni per prendere in considerazione uno strumento dotato di un numero maggiore di canali. Di seguito verrà illustrato l’utilizzo di un oscilloscopio a 4 canali per lo svolgimento di queste operazioni e saranno mostrati alcuni esempi relativi all’uso di uno strumento a 8 canali.

L’approccio tradizionale con un oscilloscopio a 4 canali

Uno dei possibili approcci prevede l’analisi a blocchi del sistema di alimentazione utilizzando più canali di acquisizione per verificare la temporizzazione blocco per blocco. Per effettuare il confronto tra i vari blocchi, uno dei terminali o un segnale di good/fail può essere utilizzato come trigger e, mediante acquisizioni multiple, è possibile determinare la temporizzazione delle fasi di avviamento e arresto relativamente al segnale di riferimento. Poiché le varie acquisizioni si riferiscono a più cicli di accensione/spegnimento, risulterà difficile caratterizzare le variazioni della temporizzazione relativa degli alimentatori. In ogni caso il range di variazione di ciascuna alimentazione da ciclo a ciclo può essere determinata effettuando misure su più cicli di accensione/spegnimento utilizzando la modalità a persistenza infinita dell’oscilloscopio. Un altro approccio molto utilizzato consiste nel sincronizzare più oscilloscopi. In questo caso si recupera il trigger degli oscilloscopi da uno degli alimentatori o un segnale di power good/fail comune. Entrambe le modalità appena descritte richiedono molto tempo e una particolare attenzione alla sincronizzazione.

Aumentare il numero dei canali

Un oscilloscopio a segnali misti o Mso (Mixed-signal oscilloscope) può rendere disponibili canali aggiuntivi per la messa in sequenza degli alimentatori. L’Mso, dal canto suo, deve garantire un range di tensione adatto sugli ingressi digitali e soglie regolabili in maniera indipendente. Uno strumento come il modello MDO4000C di Tektronix con l’opzione Mso fornisce 16 ingressi digitali con soglie indipendenti per ciascun canale e un range dinamico di ±30 Vp-p fino a una frequenza di 200 MHz. Grazie a queste caratteristiche, questo oscilloscopio è in grado di gestire la maggior parte dei livelli di tensione presenti in un progetto tipico. A questo punto è utile osservare che un approccio di questo tipo è valido se l’obiettivo è misurare le relazioni tra le temporizzazioni, ma non consente la misura dei tempi di salita e di discesa o della forma delle fasi di accensione/spegnimento.

Accelerare il processo con oscilloscopi a 8 canali

L’utilizzo di un oscilloscopio con 8 canali analogici permette di ridurre tempi e difficoltà rispetto a qualsiasi altro metodo. Con uno strumento a 8 canali è possibile caratterizzare alimentatori con un massimo di 8 power rail utilizzando sonde analogiche. Per misurare le relazioni tra le temporizzazioni di accensione e spegnimento su alimentatori con un numero di power rail superiore a 8, è possibile ricorrere a un oscilloscopio a segnali misti con ingressi per segnali digitali e soglie regolabili in maniera indipendente. Di seguito alcune tipiche applicazioni di misura di messa in sequenza dell’alimentazione.

  • Ritardo di accensione con on/off remoto - L’alimentatore switching testato produce un’uscita regolata a 12 Vdc ad alta corrente. Questo alimentatore è controllato da remoto con un interruttore posto sul pannello frontale dello strumento. Poco dopo che è stato premuto l’interruttore, viene innescata la tensione di standby di +5 V per consentire l’avviamento del convertitore a commutazione. Una volta che l’uscita a +12 V è regolata, il segnale Power Good (PW OK) va nello stato logico alto per indicare al carico che l’alimentazione è affidabile. Il segnale della tensione di stand-by di +5 V fornisce un semplice trigger del fronte di salita per l’acquisizione dei relativi segnali. Misure automatiche verificano che il ritardo relativo all’accensione della tensione di uscita sia inferiore a 100 ms e che il ritardo tra la tensione di uscita e il segnale PW OK sia compreso nell’intervallo da 100 a 500 ms previsto dalle specifiche.
  • Ritardo di spegnimento con on/off remoto Una volta disattivato il commutatore principale dell’alimentatore, il convertitore a commutazione è spento e la tensione di uscita diminuisce. Le specifiche dell’alimentatore prevedono che la tensione rimanga regolata per un periodo di almeno 20 ms dopo che l’interruttore è stato premuto. Ancora più importante è il fatto che il segnale PW OK deve passare nello stato logico basso 5-7 ms prima che la tensione di uscita di +12 V “perda” la regolazione, in modo da consentire al carico di reagire ed eseguire senza problemi la fase di arresto. Come riportato in Fig. 2, il segnale PW OK fornisce un trigger del fronte di discesa per l’acquisizione dei relative segnali. La misura del cursore della forma d’onda verifica che il segnale di pre-allarme PW OK funzioni nel modo previsto.
  • Verifica delle temporizzazioni su più cicli di accensione/spegnimento - Al fine di verificare che la temporizzazione dell’alimentatore resti entro le specifiche per più cicli di accensione/spegnimento, è possibile utilizzare la modalità a persistenza infinita per visualizzare le variazioni della temporizzazione dei segnali, mentre le visualizzazioni delle statistiche delle misure automatiche delle temporizzazioni forniscono un’indicazione di tipo quantitativo di tali variazioni. Nella configurazione riportata in Fig. 3, il punto al 50% della tensione di stand-by di +5 V è utilizzato come riferimento per la temporizzazione. La sequenza di innesco è ripetuta 10 volte e le variazioni della temporizzazione relative a 10 cicli di innesco sono di poco superiori all’1%.
  • Temporizzazione di alimentatori regolati di tipo PoL - La schermata di Fig. 4 mostra le temporizzazioni in fase di innesco di sette alimentatori di tipo PoL presenti sulla scheda di un sistema durante l’avviamento. Le tensioni di alimentazione di ingresso della scheda le stesse dell’esempio precedente (alimentazione di stand-by di +5 V e bulk di +12 Vdc). Le misure automatizzate del delay in questo collaudo sono effettuate tra i punti calcolati automaticamente al 50% di ciascuna delle forme d’onda: ciò significa che ciascuna misura ha una diversa configurazione con un differente insieme di soglie di misura. La prima misura mostra il ritardo tra il segnale di stand-by a +5 V e l’alimentazione a +12 V mentre la seconda misura rappresenta il ritardo rispetto all’alimentazione principale a +5 V. Le rimanenti misure rappresentano la sequenza dei ritardi critici rispetto all’alimentazione principale a +5 V.
  • Temporizzazione con regolazione del punto di carico - Le misure automatizzate del ritardo di turn-off in questo test sono eseguite tra i punti di ciascuna delle forme d’onda che si trovano a un valore inferiore del 5% rispetto al loro valore nominale. A differenza delle precedenti soglie di misura basate su percentuali, in questo caso ogni misura ha una soglia di tensione assoluta. Nel momento in cui l’alimentatore si arresta, il segnale di Power Good va a livello logico basso.
  • Temporizzazione di accensione di più di 8 rail - Le misure automatizzate del ritardo di temporizzazione sono basate sui tempi durante i quali i segnali attraversano le rispettive tensioni di soglia. Poiché ogni configurazione di misura automatica può includere un unico valore di soglia (solitamente il 50% dell’ampiezza del segnale) e ogni canale digitale può avere un valore di soglia unico (solitamente impostato al 50% della tensione dell’alimentatore), gli oscilloscopi a segnali misti possono eseguire un numero di misure del ritardo di temporizzazione dell’alimentazione pari al numero di ingressi digitali disponibili. In base al modello di Mso, il numero di canali può variare da 8 a 64.

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