Misure di integrità sull’alimentazione

La continua crescita della densità dei dispostivi a semiconduttore evidenziata dalla legge di Moore, ha permesso di integrare la potenza di calcolo di un Pc desktop all’interno di uno smartphone e di supercomputer all’interno di una console per videogiochi. Si tratta di applicazioni ben conosciute al grande pubblico, ma anche un’altra vasta gamma di apparecchiature intelligenti meno complesse, come elettrodomestici, abitacoli delle automobili, dispositivi indossabili, strumenti medici e altri prodotti per Internet of Thing hanno potuto svilupparsi solo grazie alla diffusione dei microcontrollori a basso costo che si sono evoluti con la stessa velocità. I consumatori hanno tratto grande beneficio dalla costante evoluzione della microelettronica, poiché hanno potuto ottenere capacità di controllo più accurate, una maggiore flessibilità e la possibilità di aggiornare i loro prodotti anche successivamente all’acquisto. Per molti progettisti, invece, questa evoluzione ha rappresentato una nuova sfida da affrontare, in quanto anche a quei prodotti che originariamente potevano essere puramente elettrici o elettromeccanici, come un termostato, oggi va erogata una tensione di alimentazione molto pulita, per garantire il corretto funzionamento dei circuiti elettronici basati sui microcontrollori. È pertanto necessario dedicare risorse significative alla progettazione di reti di distribuzione dell’alimentazione o Pdn (Power distribution network) che siano robuste e affidabili, oltre a verificarne correttamente il funzionamento tramite un oscilloscopio real-time.

Superare le difficoltà

L’erogazione di una tensione di alimentazione pulita è diventata un’esigenza sempre più importante. Le deviazioni dal valore nominale della tensione sulla linea di alimentazione in continua possono rappresentare la maggior fonte di jitter sui segnali clock e dati di un sistema digitale. Una riduzione della tensione di alimentazione di un dispositivo digitale può causare un degrado del ritardo di propagazione attraverso i suoi gate, che a sua volta riduce i margini di temporizzazione, con il rischio di introdurre errori sui bit. Per prevenire tale rischio, le tolleranze ammesse sulle tensioni di alimentazione sono state ridotte al 5% o meno. Poiché anche le velocità di commutazione e di variazione dei fronti del segnale dei dispositivi digitali sono cresciute, è cresciuta anche la probabilità che il rumore di commutazione si propaghi per induzione sulle linee di alimentazione. Il rumore risultante si manifesta nella larghezza di banda della corrente commutata e può superare 1 GHz. La riduzione dell’ampiezza del segnale nei sistemi digitali permette di aumentare le velocità di commutazione, ma richiede anche margini di rumore più stretti nel sistema di alimentazione. Un’altra ragione che spinge alla riduzione delle tolleranze ammesse è la ricerca di un minor consumo energetico. Se le tolleranze vengono ridotte dal 10% al 5%, l’assorbimento energetico del sistema può essere ridotto fino al 5%. La sfida è di riuscire a misurare una serie di segnali in alternata sempre più piccoli e più veloci che si sovrappongono alla tensione erogata dai loro alimentatori. Ecco alcuni dei problemi di cui è bene essere consapevoli per riuscire a effettuare correttamente queste misure.

Reti di distribuzione e integrità delle linee

Il termine “integrità delle linee di alimentazione” o “power integrity”, si riferisce all’analisi di come effettivamente la potenza elettrica viene convertita ed erogata a partire da una sorgente verso il carico di un sistema. La potenza elettrica viene erogata tramite una linea di distribuzione dell’alimentazione composta da componenti passivi e interconnessioni tra sorgente e carico, compreso il packaging dei semiconduttori. Si tratta di un’attività di analisi che comprende l’esecuzione di misure su uno spettro di frequenze che spazia dalla continua fino vari gigahertz. Di seguito alcune delle misure di integrità molto comuni.

  • Pard - Acronimo di “Periodic and random deviation” (deviazione periodica e casuale), rappresenta la deviazione dell’uscita in continua dal suo valore medio, quando tutti gli altri parametri vengono mantenuti costanti. È una misura delle componenti in alternata non desiderate e del rumore che rimangono presenti sull’uscita in continua dopo il circuito di regolazione e filtraggio. Viene misurata come valore picco-picco o, più frequentemente, come valore quadratico medio da 20 Hz a 20 MHz. Le variazioni simili al Pard al di sotto dei 20 Hz vengono solitamente indicate come deriva o drift.
  • Risposta al carico - Si può riferire a un carico statico o transitorio ed è una misura della capacità dell’alimentatore di rimanere entro i limiti ammessi per le sue uscite dato un carico predeterminato. Normalmente prevede una misura del tempo necessario all’alimentatore per recuperare dal transitorio e rientrare entro una predefinita banda di assestamento in risposta all’imposizione di un carico.
  • Rumore - Deviazioni dell’alimentazione in continua dal suo valore nominale. Può comprendere rumore casuale, come il rumore termico, e segnali spuri, come i segnali di commutazione che si accoppiano da circuiti adiacenti o le deviazioni Pard e la risposta al carico.

Sorgenti di rumore

Idealmente in un alimentatore in corrente continua non dovrebbe essere presente alcun rumore. Nella realtà, invece, di solito c’è. E come ci è arrivato? Una sorgente di semplice rumore gaussiano presente in un alimentatore è dovuta all’agitazione termica degli elettroni dei suoi circuiti, ma solitamente non si tratta della sorgente prevalente.

La sorgente di rumore dominante in un alimentatore in corrente continua è il rumore di commutazione generato al suo interno, e il rumore indotto dalla correnti di commutazione dei dispositivi nei circuiti che creano assorbimenti di corrente transitori. Il rumore creato dagli eventi di commutazione può apparire come casuale nel tempo, me tende ad essere coerente con i segnali di clock del sistema. Il pensare al rumore di un alimentatore in continua come una combinazione di segnali, come il rumore di commutazione dell’alimentatori e il rumore delle correnti di commutazione, che si sovrappongono a una tensione di alimentazione continua, può rendere più semplice la sua misura e analisi.

Le difficoltà di misura

Gli oscilloscopi sono spesso una soluzione utile per misurare il rumore di un alimentatore in continua, poiché hanno la larghezza di banda necessaria per osservare il rumore nel suo intero spettro di frequenze, sono semplici da utilizzare e sono ampiamente disponibili. Gli oscilloscopi real-time a banda larga e le loro rispettive sonde hanno anch’essi le loro fonti di rumore. Ciò può complicare la misura del rumore sulle linee di alimentazione, quando il rumore dell’oscilloscopio e delle sonde ha un’ampiezza confrontabile con il rumore dell’alimentatore che si intende analizzare. Un’altra difficoltà nella misura del rumore sulle linee di alimentazione in continua è dovuto al range dinamico. Un’alimentazione da verificare è caratterizzata da un certo livello di tensione continua, alla quale è sovrapposto un piccolo segnale in alternata che rappresenta il rumore sull’alimentatore, e che ha un’ampiezza pari a una piccola frazione del livello di tensione continua. Il desiderio è di ingrandire la visualizzazione zoomando sul rumore in alternata, e poi cambiare la scala dell’oscilloscopio aumentandone la sensibilità per osservare i dettagli del rumore, sperando al contempo che il rumore intrinseco dell’oscilloscopio possa essere sufficientemente ridotto per riuscire a distinguerlo dal vero rumore in alternata presente sulla linea di alimentazione. In funzione dell’oscilloscopio e della sonda usata, potrebbe essere impossibile riuscire a distinguere i segnali reali dalle imperfezioni introdotte dal sistema di misura.

Effetti del rumore

Per comprendere meglio le sorgenti di rumore presenti in un oscilloscopio, osserviamo la Fig. 2. Ci sono due sorgenti di rumore primarie all’interno del sistema composto da oscilloscopio e sonda. L’amplificatore d’ingresso e i circuiti buffer nell’oscilloscopio generano del rumore, così come l’amplificatore presente nella sonda attiva. Gli oscilloscopi utilizzano un attenuatore per variare la scala verticale. Il rumore dell’oscilloscopio compare dopo questo stadio di attenuazione. Quando l’attenuatore viene impostato con un rapporto superiore 1:1, il rumore dell’oscilloscopio apparirà più grande rispetto al segnali presenti al connettore di ingresso dell’oscilloscopio. Si consideri un oscilloscopio con una sensibilità di base di 5 mV/divisione senza attenuazione (1:1), e un livello di rumore di fondo di 500 μVrms a 5 mV/divisione. Se si cambia la sensibilità a 50 mV/divisione, l’oscilloscopio inserisce un attenuatore 10:1 in serie all’ingresso. Il rumore appare allora come se fosse di 5 mVrms relativo all’ingresso (500 μV*10). Succede la stessa cosa collegando all’oscilloscopio una sonda con attenuazione. Il rumore dell’oscilloscopio appare più grande relativamente al segnale all’ingresso della sonda, di un valore pari al fattore di attenuazione.

Un saggio utilizzo della funzione Fft

La Fft di un oscilloscopio può essere utile per osservare i segnali nel dominio della frequenza allo scopo di identificare le sorgenti che contribuiscono a generare rumore sulle linee di alimentazione. Si tratta però di una funzione da maneggiare con cura. Un oscilloscopio cattura una porzione finita di segnale nel tempo a ogni evento di trigger, in funzione della quantità di memoria disponibile e della frequenza di campionamento. L’Fft non può vedere frequenze del segnale d’ingresso che sono inferiori all’inverso della durata della finestra temporale di cattura dell’oscilloscopio. La più bassa frequenza che può essere analizzata dalla funzione Fft è pari a 1/[1/(frequenza di campionamento / profondità di memoria)]. Per vedere una sorgente di rumore sospetta con l’Fft, bisogna impostare la profondità di memoria con un numero di campioni sufficiente. Ad esempio, se un alimentatore switching funziona a 33 kHz, serve catturare l’attività dei segnali per 1/(33 kHz), o 30 μs, per riuscire a vederli con l’Fft. Con una frequenza di campionamento di 20 GSample/s, servirebbe una memoria da 600.000 punti. La funzione Fft lavora tipicamente solamente sui dati visualizzati sullo schermo.

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