Einführung

Die Power-Delivery-Netzwerke (PDNs) komplexer, tief eingebetteter Systeme umfassen oft zahlreiche Stromschienen mit mehreren Spannungen und stark variierenden Stromanforderungen. Ein wichtiger Teil der Systemvalidierung und -beseitigung besteht darin, die Reaktion einer einzelnen Stromschiene auf das plötzliche Anlegen einer Last zu bewerten und die Reaktion mehrerer Schienen unter solchen Umständen zu untersuchen. In dieser Application Note besprechen wir die Verwendung der 12-Bit-High-Definition-Oszilloskope von Teledyne LeCroy zur Analyse des Einschwingverhaltens von Stromschienen in PDNs.

Warum das Einschwingverhalten von Power-Rails wichtig ist

Wenn eine Gleichstromquelle einen Anstieg des Strombedarfs sieht, der von einer Last auferlegt wird, sinkt ihre Ausgangsspannung in Korrelation mit der Größe des erforderlichen Stroms. Wenn die Laststromtransiente langsam ansteigt und abfällt, ist die Regelrückkopplungsschleife des Netzteils normalerweise in der Lage, die Nennausgangsspannung zu regeln und aufrechtzuerhalten. Wenn der Strom jedoch schnell ansteigt, fällt die Ausgangsspannung stark ab und braucht einige Zeit, um sich zu erholen.

Bei der Analyse des Einschwingverhaltens der Stromschiene umfassen die in Abbildung 1 gezeigten Interessenbereiche:

  • Bahnverhalten im stationären Zustand im unbelasteten Zustand: mittlere Spannung und Welligkeitsamplitude
  • Sprungantwort: Droop, Erholungszeit und Einschwingzeit
  • Schienenverhalten im stationären Zustand bei angelegter Last: mittlere Spannung und Welligkeitsamplitude

Abbildung 2 zeigt ein repräsentatives Blockdiagramm eines eingebetteten Systems. Das abgetastete Signal könnte beispielsweise der Ausgang eines der Abwärts-DC/DC-Wandler oben rechts sein. Zur Überwachung der Schienenspannung ist der Leistungs-/Spannungsschienentastkopf RP4030 von Teledyne LeCroy eine gute Option. Für den Schienenstrom könnte man eine Stromsonde verwenden oder die Spannung über einem Shunt-Widerstand messen.

Mit 12-Bit-High-Definition-Oszilloskopen stehen mehrere Ansätze zur Quantifizierung und Analyse des Einschwingverhaltens von Schienen zur Verfügung. Dazu gehören Cursor, Zoomspuren mit Messungen und die Verwendung des Digital Power Management-Anwendungspakets von Teledyne LeCroy.

Analyse mit Cursorn

Zur Durchführung von stationären Messungen mit Cursorn müssen diese einfach an den entsprechenden Positionen auf der erfassten Wellenform platziert werden. In Abbildung 3 wird beispielsweise die Welligkeit in einem stationären Zustand ohne Last gemessen, indem die Cursor auf beobachtete Spitzen gesetzt und die Differenz subtrahiert wird. Cursor können in ähnlicher Weise verwendet werden, um die Mittelspannung im stationären Zustand ohne Last zu messen, obwohl dies keine genaue Methode ist. Gleiches gilt für die Messung von Restwelligkeit und Mittelspannung im Lastzustand sowie für Spannungsabfall.

Man kann auch Transientenmessungen mit Cursorn vornehmen. Beispielsweise ist die Erholungszeit der Stromschiene, wie lange es dauert, bis die Schienenspannung auf einen bestimmten Prozentsatz des endgültigen Spannungspegels zurückkehrt. Im Beispiel von Abbildung 4 haben wir 10 % ausgewählt. Beachten Sie, dass das Cursor-Delta von 3.1 mV 10 % eines zuvor gemessenen Spannungsabfallwerts von 31 mV ist. Die Einschwingzeit – die Zeit, die die Schienenspannung benötigt, um sich auf ihre endgültige Amplitude einzupendeln – kann auf ähnliche Weise gemessen werden.

Analyse mit Zooms und Parametermessungen

Die Verwendung der Zoom-Funktion des Oszilloskops ermöglicht eine bessere Sichtbarkeit des hochfrequenten Signalverhaltens. Außerdem ermöglichen Zooms, indem sie auf einen ausgewählten Teil der erfassten Wellenform zielen, die Begrenzung von Parametermessungen auf Teilmengen der vollständigen Erfassung. Beispielsweise zeigt Abbildung 5 Spannungs- und Stromwellenformen (jeweils oben links und unten links) und entsprechende Zoomspuren der hervorgehobenen lastfreien Abschnitte von beiden (jeweils oben rechts und unten rechts). Bei der pk-pk-Parametermessung sehen wir die Welligkeit im gezoomten stationären Teil der Spannungswellenform oben rechts (Z5). Ebenso zeigt die mittlere Spannungsparametermessung den Mittelwert nur des gezoomten Teils. Dieser Ansatz ermöglicht die ausgeklügelten Funktionen der integrierten Messparameter des Oszilloskops, während die Zoomfunktion verwendet wird, um den interessierenden Bereich für die Messung präzise auszuwählen.

Die gleichen Messungen können für den Lastzustand durchgeführt werden, indem die Zoomspuren aus dem relevanten Teil der Erfassung genommen werden (Abbildung 6). Für den transienten Teil derselben Spannungswellenform ermöglichen mehrere Zoom-Kurven die Subtraktion der minimalen Droop-Messung von der mittleren Spannung des unbelasteten Teils (Abbildung 7).

Ein ähnlicher Ansatz kann für die Messung der Erholungszeit der Schiene gewählt werden (Abbildung 8). In diesem Fall ist der Mittelwert der Wiederkehrspannung in der gezoomten Kurve etwas besser abzuschätzen; dies gilt auch für die Messung der Spannungseinschwingzeit.

Analyse mit dem Anwendungspaket Digital Power Management

Das verfügbare Anwendungssoftwarepaket Digital Power Management (DPM) für die 12-Bit-High-Definition-Oszilloskope von Teledyne LeCroy bietet zahlreiche Vorteile, darunter vereinfachte Analysen, verbesserte Messungen und tiefere Einblicke in das PDN-Verhalten. Typische Spannungsreglermodul(VRM)-Geräte weisen Verhaltensweisen wie Welligkeit auf, die sich periodisch bei der Schaltfrequenz verhalten. Mit der Digital Power Management-Software können Benutzer einen Takt oder ein anderes Synchronisationssignal bereitstellen, um einfache Messungen und Analysen „pro Zyklus“ zu ermöglichen (Abbildung 9). Innerhalb des DPM-Pakets haben Benutzer einfachen Zugriff auf häufig gemessene Parameter für den Schienenstrom und die Schienenspannung wie VRMS, Standardabweichung, Mittelwert, Pk+, Pk-, Pk-pk und Frequenz (Abbildung 10).

Eine leistungsstarke Funktion des DPM-Pakets sind Zoom+Gate-Messungen, die eine einfache Begrenzung von Parametermessungen auf den gezoomten Teil der erfassten Wellenform ermöglichen. Im Beispiel von Abbildung 11 liefern die in der Messtabelle angezeigten Mittel- und Pk-Pk-Werte Spannungs- und Welligkeitsmessungen für den stationären, unbelasteten Bereich der Wellenform. Dieselbe Messung kann für den stationären Zustand mit vorhandener Last vorgenommen werden, indem in diesen Bereich der Wellenform gezoomt wird.

Ein weiteres leistungsstarkes Analysetool sind berechnete Wellenformen. Wenn man beispielsweise den mittleren Spannungswert der Spannung an einer Stromschiene messen würde, würde eine berechnete Wellenform von Messwerten „pro Zyklus“ zeigen, wie sich die mittleren Spannungen im Laufe der Zeit ändern (Abbildung 12). „Zyklus“ wird durch das angelegte Takt- oder andere Synchronisationssignal definiert. Eine berechnete Wellenform macht die Bestimmung von Erholungs- und Einschwingzeiten viel einfacher und präziser.

Multiple-Rail-Analyse

Häufig umfassen eingebettete Systeme mehrere Stromschienen, deren Verhalten eng miteinander gekoppelt sein kann oder nicht. Wenn eine dieser Schienen plötzlich eine Lastfreigabe erfährt, die ein transientes Ereignis verursacht, leiden die anderen Stromschienen im System unter irgendwelchen Auswirkungen (Abbildung 13)?

Die 12-Bit-High-Definitions-Oszilloskope von Teledyne LeCroy liefern in Verbindung mit der verfügbaren DPM-Software tiefere Einblicke, als dies mit Zoom-Kurven möglich ist, indem berechnete Wellenformen mittlerer Spannungswerte „pro Zyklus“ auf anderen Schienen aufgetragen werden.

Im Beispiel von Abbildung 14 wird die Last auf einer Spannungsschiene schnell abgebaut – dies ist am Stromverlauf an C8 (orange) und am Spannungsverlauf an C5 (hellgrün) zu erkennen. Die Signale an C1 – C4 sind die Spannungen, die an drei anderen Stromschienen im System vorhanden sind. Die berechneten Wellenformen „pro Zyklus“ von den C1-C4-Schienen zeigen eine Änderung der Mittelspannungswerte zum Zeitpunkt eines transienten Ereignisses, aber die Mittelwerte ändern sich um weniger als 1 mV. Währenddessen nimmt das Rauschen an der 12-V-Versorgung (lila C6), gemessen als Standardabweichung der Ausgangsspannung, deutlich ab, wenn die Last freigegeben wird (Abbildung 15). Die Spitze-zu-Spitze-Spannung auf der Taktwellenform nimmt ebenfalls ab.

Fazit

Mit Werkzeugen wie Cursors, Zoomspuren und Parametermessungen und dem verfügbaren Digital Power Management-Softwarepaket, das Zoom+Gate-Funktionen und berechnete Wellenformen basierend auf „pro Zyklus“-Werten bereitstellt, Teledyne LeCroy's 12-Bit-High-Definition-Oszilloskope liefern aussagekräftige Einblicke in das transiente Verhalten von Power-Delivery-Netzwerken in eingebetteten Systemen.