Integralność zasilania: wykorzystanie analizy FFT i układu wyzwalania oscyloskopu do identyfikacji źródeł szumów w zasilaczach

Ciągły rozwój technologii postępujący zgodnie z prawem Moore’a oraz szeroka oferta rynkowa tanich mikrokontrolerów sprzyjają produkcji różnego rodzaju produktów elektronicznych o stale rosnącej funkcjonalności. Te nowoczesne produkty wyposażone w wiele wbudowanych funkcji wymagają źródeł zasilania DC o coraz lepszych parametrach. Jednym z problemów doświadczanych przez projektantów tych urządzeń jest dostarczenie “czystego” zasilania do ich obwodów.

Badanie skuteczności dostarczania zasilania DC z wyjść przetwornicy do bramek logicznych określa się mianem integralności zasilania. Oscyloskopy czasu rzeczywistego są najczęściej używanymi przyrządami do pomiaru zaburzeń, szumów, odpowiedzi impulsowej i innych parametrów. W artykule opisano sposób wykorzystania analizy FFT i układu wyzwalania oscyloskopu do analizy źródeł szumów zasilaczy.

Problem

Jakość zasilania nabiera coraz większego znaczenia wraz z rosnącą gęstością upakowania elektroniki i szybkością działania kolejnych generacji urządzeń. Fluktuacje napięcia na szynie DC mogą być największym źródłem jitteru sygnałów zegara i danych w systemach cyfrowych. Określa się go mianem PSIJ (power supply induced jitter). Obniżenie napięcia zasilającego układ cyfrowy może zmniejszyć czas propagacji sygnału przechodzącego przez bramki logiczne urządzenia, skutkując zmniejszeniem marginesów czasowych lub nawet pojawianiem się błędów bitowych. Wraz z rosnącą szybkością przełączania i szybkością narastania napięcia (slew rate) rośnie też prawdopodobieństwo indukowania w zasilaczu zaburzeń impulsowych. Powstające w wyniku tego zaburzenia częstotliwości przełączanych prądów mogą łatwo przekroczyć granicę 1 GHz. Zwiększanie sprawności i redukcja poboru mocy stanowią kolejne wyzwania dla projektantów. Aby utrzymać pobór mocy w akceptowalnym zakresie muszą oni obniżać napięcia zasilające i/lub zawężać tolerancje parametrów zasilaczy. Dlatego też dużym wyzwaniem stojącym przed projektantami jest pomiar coraz mniejszych i szybszych sygnałów AC w zasilaczach.

Szum zasilacza DC

W idealnym przypadku zasilacz DC nie powinien generować żadnych zaburzeń. W jaki więc sposób one powstają? Zwykły szum o rozkładzie Gaussa obecny na wyjściu zasilacza wynika z niemożliwego do wyeliminowania szumu termicznego generowanego przez podzespoły. Zazwyczaj nie jest on jednak źródłem dominującym. Dominujące źródła zaburzeń w zasilaczu DC to jego impulsowy tryb pracy oraz zaburzenia indukowane przez obciążenie pobierające moc również w sposób impulsowy. Zaburzenia generowane w wyniku pracy impulsowej mogą pozornie wydawać się losowe w funkcji czasu, jednak mają tendencję do korelowania się z sygnałami zegarowymi systemu. Zakładając, że zaburzenia na wyjściu zasilacza wynikają z połączenia “sygnałów” generowanych w wyniku jego impulsowej pracy i impulsowego poboru prądu przez obciążenie będziemy mogli łatwiej zmierzyć je i przeanalizować. Biorąc pod uwagę szerokopasmowy charakter zaburzeń wytwarzanych przez zasilacz DC, często preferowanym sposobem ich pomiaru jest zastosowanie oscyloskopu o odpowiednio szerokim paśmie, zresztą również ze względu na jego dostępność i łatwość obsługi.

Analiza w domenie częstotliwości

Wykorzystanie oscyloskopowej analizy FFT do zobrazowania sygnału w dziedzinie częstotliwości może być pomocne w identyfikacji źródeł mających największy wpływ na zaburzenia wytwarzane przez zasilacz. Wykorzystamy przykład przetwornicy DC-DC obniżającej napięcie z 5 do 3,3 V. Pracuje ona z częstotliwością taktowania 2,8 MHz. Gdzieś w systemie znajdują się też obwody zasilane napięciem 5 V i taktowane zegarem o częstotliwości 10 MHz. Przy wykorzystaniu specjalnej sondy dla linii zasilających Keysight N7020A Power Rail i oscyloskopu S-Series badamy przebieg wyjściowy zasilacza 3,3 V.

Równocześnie przy użyciu zwykłej sondy pasywnej obserwujemy sygnał zegarowy 10 MHz. Na rysunku 1 widać przebiegi czasowe sygnału z wyjścia zasilacza 3,3 V i sygnału zegara oraz reprezentację częstotliwościową sygnału wyjściowego z zasilacza 3,3 V wyznaczoną z wykorzystaniem funkcji FFT wbudowanej w oscyloskop. Na przebiegu czasowym sygnału 3,3 V z wyjścia zasilacza widać wyraźnie składową o okresie ok. 360 ns związaną z częstotliwością pracy zasilacza wynoszącą 2,8 MHz. Porównując sygnał z wyjścia zasilacza 3,3 V z sygnałem zegara 10 MHz nie można być pewnym, czy sygnał zegara ma jakikolwiek wpływ na sygnał wyjściowy zasilacza. Jednak obserwując reprezentację częstotliwościową sygnału wyjściowego widać wyraźnie prążki związane z częstotliwością pracy zasilacza 2,8 MHz (i jej harmoniczne) oraz prążek na częstotliwości 10 MHz związany z zaburzeniami wprowadzanymi przez zegar. Obserwacja w dziedzinie częstotliwości prowadzona obok obserwacji przebiegu czasowego pozwala więc lepiej identyfikować poszczególne źródła zaburzeń.
 

(Rys. 1. Sygnał wyjściowy zasilacza 3,3 V (2 górne przebiegi) i zegara 10 MHz (kolejne 2 przebiegi) 

oraz widmo sygnału z wyjścia zasilacza 3,3 V)
 

Wykorzystanie układu wyzwalania i pomiar składowych sygnału z zasilacza

Wykorzystując funkcję FFT oscyloskopu zaobserwowaliśmy, że część zaburzeń sygnału wyjściowego zasilacza pochodzi od sygnału zegara i układów cyfrowych z zasilanego urządzenia. Mając te informacje, następnym krokiem projektanta może być określenie jak duży wpływ na wytwarzane zaburzenia mają zaburzenia wprowadzane przez zegar 10 MHz. W wyniku tego można będzie podjąć decyzję o wprowadzeniu ewentualnych zmian w projekcie mogących zminimalizować ich wpływ. Układ wyzwalania oscyloskopu może pomóc w wizualizacji i pomiarze składowych zaburzeń na wyjściu zasilacza wprowadzanych z zewnątrz i koherentnych w fazie z innymi elementami systemu. Aby to zademonstrować podłączymy do wejść przyrządu jednocześnie sygnał z wyjścia zasilacza i sygnał zegara 10 MHz. Następnie skonfigurujemy oscyloskop tak, aby był wyzwalany narastającym zboczem zegara 10 MHz. W końcowym etapie zmienimy tryb akwizycji na uśrednianie. Uśredniając kolejne paczki danych, w tym przypadku 1024 będziemy w stanie wyeliminować cały szum przypadkowy pochodzący od innych elementów systemu, niekoherentnych z sygnałem zegara. W wyniku tego otrzymamy obraz wyłącznie tych zaburzeń, które są skorelowane z zegarem 10 MHz. Przedstawia to rysunek 2. Czy warto wprowadzać do projektu zmiany mające na celu zminimalizowanie lub wyeliminowanie zaburzeń wprowadzanych przez zegar w tym konkretnym przypadku? Tą decyzję musi podjąć sam projektant, analizując uzyskane informacje i inne parametry systemu.
 

(Rys. 2. Wyzwalanie sygnałem zegara 10 MHz i włączenie uśredniania pozwala usunąć szum losowy i składowe niekoherentne z zegarem.
W wyniku tego otrzymujemy obraz zaburzeń na wyjściu zasilacza 3,3 V związanych z obecnością zegara 10 MHz)

Podsumowanie

Wyizolowanie wszystkich możliwych źródeł zaburzeń sygnału na wyjściu zasilacza DC jest kluczowym zadaniem inżyniera zajmującego się kwestią integralności zasilania. Po ich zidentyfikowaniu można podjąć kroki prowadzące do ich wyeliminowania. Dostępna w oscyloskopie funkcja analizy FFT pozwala zawęzić obszar poszukiwań i łatwiej zidentyfikować poszczególne źródła zaburzeń. Następnie wykorzystując układ wyzwalania i funkcję uśredniania sygnału można zweryfikować czy są mają one wpływ na sygnał wyjściowy zasilacza.