Intelligente Analyse von Stromräuschen mit Oszilloskopfrequenzbereich

StromversorgungGeräusch ist eine Art elektromagnetischer Störungen, deren leitendes Geräuschspektrum etwa 10 kHz bis 30 MHz beträgt und bis zu 150 MHz hoch ist. StromräuschGeräusche, insbesondere transiente Geräuschstörungen, haben eine schnelle Anstiegsgeschwindigkeit, eine kurze Dauer, eine hohe Spannungsumfang und eine starke Zufälligkeit, die Mikrocomputer und digitale Schaltungen leicht schwere Störungen verursachen.

Anwendungen der Oszilloskop-Frequenzbereich-Analyse in der Stromversorgung

So spricht dieser Artikel.JahrekommenBesorgte ElektrizitätQuellenräuschmessungFragenFrage, praktische Erfahrungen zusammengefasst, empirische Fälle belegt, Simulationsanalysen kombiniert.
Bei der Analyse des Stromräuschs besteht die klassische Methode darin, die Wellenform des Stromräuschs mit einem Oszilloskop zu beobachten und ihre Amplitude zu messen, um die Quelle des Stromräuschs zu beurteilen. Aber mit der allmählichen Senkung der Spannung und der allmählichen Erhöhung des Stroms der digitalen Geräte wird die Schwierigkeit des Stromversorgungsdesigns zunehmen und effektivere Testmethoden zur Bewertung des Stromversorgungsgeräuschs erforderlich sind. Dieser Artikel wird verwendetEin Fall der Analyse von Stromversorgungsgeräuschen durch die Frequenzbereich-Methode ist, dass bei der Beobachtung von Zeitbereichswellenformen, die den Fehler nicht lokalisieren können, eine Zeitfrequenzumrechnung durch die FFT-Methode (schnelle Fourier-Transformation) durchgeführt wird, um die Zeitbereich-Stromversorgungsgeräuschwellenform in den Frequenzbereich umzuwandeln. Beim Debuggen der Schaltung können die Signalmerkmale aus zwei Winkeln des Zeitbereichs und des Frequenzbereichs betrachtet werden, um den Debuggprozess effektiv zu beschleunigen.

Bei der Debugging einer einzelnen Platte wurde festgestellt, dass das Stromräusch eines Netzwerks 80mv erreicht hat, das die Geräteanforderungen überschritten hat, um sicherzustellen, dass das Gerät stabil arbeiten kann, muss dieses Stromräusch reduziert werden.
Überprüfen Sie das Prinzip der Stromräuschendämpfung, bevor Sie den Fehler debuggen. Wie in der nachfolgenden Abbildung gezeigt, unterdrücken verschiedene Frequenzbänder im Stromverteilungsnetz Geräusche durch verschiedene Komponenten, die Entkopplungskomponenten umfassen ein Power-Adjustment-Modul (VRM), einen Entkopplungskapazitor, eine Leiterplatte-Stromhorizontalfläche, ein Gerätepaket und einen Chip. VRM enthält einen Stromchip und einen peripheren Ausgangskondensator, der ungefähr auf DC bis zu einem niedrigen Frequenzbereich (etwa 100K) wirkt, dessen Äquivalentmodell ein binäres Modell ist, das sich aus einem Widerstand und einer Induktion zusammensetzt. Entkopplungskapazitäten müssen relativ mit mehreren Kapazitäten in der Größenordnung verwendet werden, um das mittlere Frequenzband (etwa 10K bis 100M) vollständig abzudecken. Aufgrund des Vorhandenseins von Verkabelungsinduktionen und Verpackungsinduktionen ist es schwierig, sofort große Mengen an Stapel-Entkopplungskondensatoren bei höheren Frequenzen zu verwenden. PCB-Stromversorgung Horizontal Gesicht bildet einen flachen Plattenkondensator, der auch eine Entkopplungswirkung hat, die etwa Dutzende von Megabytes wirkt. Chipkapsulationen und Chips sind für das hohe Frequenzband (über 100M) verantwortlich, und die aktuellen Geräte erhöhen in der Regel die Entkopplungskapazität auf dem Paket, zu diesem Zeitpunkt kann der Entkopplungsbereich auf PCB auf Dutzende oder sogar Megabytes reduziert werden. Daher können wir bei unveränderter Strombelastung nur feststellen, in welchem Frequenzband Spannungsgeräusche auftreten, und das entsprechende Entkopplungselement für dieses Frequenzband optimieren. Beim benachbarten Frequenzband der beiden Entkopplungselemente werden die beiden Entkopplungselemente zusammengearbeitet, so dass bei der Analyse des kritischen Punktes der Entkopplungselemente auch die Entkopplungselemente des benachbarten Frequenzbands berücksichtigt werden müssen.

Gemäß der herkömmlichen Erfahrung der Stromversorgung wurde zunächst ein paar Entkopplungskapazitäten auf dem Netzwerk hinzugefügt, um die Impedanz des Stromnetzes zu erhöhen, um sicherzustellen, dass die Impedanz des Stromnetzes im mittleren Frequenzband die Anforderungen dieses Anwendungsszenarios erfüllen kann. Das Ergebnis ist eine Verringerung von nur wenigen mV und eine geringfügige Verbesserung. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses Ergebnis zu erzeugen: 1. Rauschen in niedriger Frequenz, nicht im Bereich, in dem diese Entkopplungskapazitäten wirken; Die Erhöhung der Kapazität beeinflusst die Schleifencharakteristiken des Stromreglers VRM, und die Reduzierung der Impedanz durch den Kapazität wird durch die Verschlechterung des VRM ausgeglichen. Mit dieser Frage haben wir in Erwägung gezogen, die Funktion der Frequenzbereich-Analyse des Oszilloskops zu verwenden, um die Spektraleigenschaften des Stromräuschs zu betrachten und die Ursachen des Problems zu lokalisieren.

Die Funktion der Frequenzbereich-Analyse des Oszilloscopes wird durch die Fourier-Transformation erreicht, die in der Essenz besteht, dass Sequenzen jedes Zeitbereichs als eine unendliche Überlagerung von Sinuswellensignalen unterschiedlicher Frequenzen dargestellt werden können. Wir analysieren die Frequenz-, Amplitude- und Phaseninformation dieser Sinuswellen, indem wir die Zeitbereichssignale in den Frequenzbereich wechseln. Die Sequenz, in der ein digitales Oszilloskop die Proben nimmt, ist eine diskrete Sequenz, daher verwenden wir bei der Analyse die schnelle Fourier-Transformation (FFT). Der FFT-Algorithmus ist für die Diskrete Fourier-Transformation (DFT) optimiert, die die Operationen um mehrere Größengruppen reduziert und je mehr Punkte benötigt werden, desto größer sind die Einsparungen.
Die von einem Oszilloskop erfassten Geräuschwellenformen werden durch eine FFT-Transformation umgewandelt und es gibt mehrere Schlüsselpunkte, die beachtet werden müssen.
1, nach dem Gesetz der Nuquist-Abtastung entspricht die Spektralbereite (Span) nach der Transformation 1/2 der Abtastrate des Originalsignals, wenn die Abtastrate des Originalsignals 1GS / s ist, ist die Spektralbereite nach FFT meist 500 MHz;
Die RBW Resolution Bandwidth entspricht der Abtastzeit, wenn die Abtastzeit 10 mS beträgt, ist die entsprechende Frequenzauflösung 100 Hz.
Spektrale Leckage, das heißt, dass die einzelnen Spektrallinien im Signalspektrum einander stören, und die Spektrallinien mit niedriger Energie sind leicht durch Leckage der nahe gelegenen Spektrallinien mit hoher Energie überschwemmt. Die Vermeidung von Spektrumlacks ermöglicht die Synchronisierung der Erfassungsgeschwindigkeit mit der Signalfrequenz, verlängert die Erfassungszeit und verwendet die geeignete Fensterfunktion.
StromversorgungDie Geräuschmessung erfordert keine hohe Abtastrate, daher kann eine lange Zeitbasis eingestellt werden, was auch bedeutet, dass die erfasste Signalzeit lang genug sein kann, um den gesamten Zeitraum des effektiven Signals zu überdecken, ohne dass eine Fensterfunktion hinzugefügt werden muss. Durch die Einstellung der oben genannten Einstellungen können Sie eine genauere FFT-Transformationskurve erhalten und dann über die Zoomfunktion die Frequenzen sehen, die Sie interessieren. Die Hauptenergie des Stromräuschs in der folgenden Abbildung konzentriert sich auf etwa 11,3 KHz und resoniert mit dieser Frequenz als Basiswellenfrequenz. Aus diesem Grund kann abgeleitet werden, dass die Impedanz des PDN-Netzwerks bei 11,3 KHz die Anforderungen nicht erfüllen kann, und die Impedanz des Kondensators an dieser Frequenzpunktion ist auch relativ hoch, kann die Impedanz nicht verringern, so dass die zunehmende Kapazität das Stromräusch nicht verringert.
Im Allgemeinen sollte 11,3 KHz in die Jurisdiktion des VRM liegen, wobei ein hoher Rauschen darauf hindeutet, dass das Design der VRM-Schaltung die Anforderungen nicht erfüllen kann. Hier wird die Leistung von VRM analysiert, es gibt viele Methoden für die VRM-Analyse, die hauptsächlich die Simulation ihres Feedback-Schleifenportraits verwenden. Portogramm in erster Linie einige Schlüsselinformationen beobachten: 1, Durchgangsfrequenz, die Gewinnkurve durchquert die Frequenzpunkte der 0dB-Linie; 2. Phasengrenze, der Phasenwert der Phasenkurve an der Stelle der Durchgangsfrequenz; 3, Gewinnmarge, der Gewinnwert, der der Phase bei -360 ° entspricht. Wir konzentrieren uns hier hauptsächlich auf die beiden Indikatoren Kreuzfrequenz und Phasenmarge. Aus dem Schleifenport-Diagramm des VRM (wie in Abbildung a unten) kann gesehen werden, dass die Durchgangsfrequenz des VRM bei etwa 8 KHz mit einem Phasenbereich von 37 Grad liegt. Es gibt hier zwei Probleme: Erstens muss der Phasenrand des VRM in der Regel größer als 45 Grad sein, um die stabile Arbeit der Schleife zu gewährleisten, und hier ist der Phasenrand etwas kleiner und der Phasenrand erhöht werden muss. Zweitens ist die Durchgangsfrequenz zu niedrig, die Anpassungswirkung der VRM in der Nähe der Durchgangsfrequenz verringert sich allmählich, und der Massenkondenzator dieser Frequenzpunkte spielt noch keine Rolle, so dass es in der Nähe von 8KHz eine höhere Impedanz gibt, die Lärmunterdrückung dieser Frequenzpunkte ist schlechter. Die folgende Abbildung (b) ist ein Porter-Diagramm nach der Optimierung der VRM-Schleife, die Phasengrenze auf 50 Grad anpasst und die Durchgangsfrequenz auf etwa 46KHz gedrückt wird.

Für die optimierte VRM-Verifizierung der Ripple kann man sehen, dass die Ripple deutlich auf 33mv reduziert ist, um die Geräteanforderungen zu erfüllen.

Das obige Beispiel ist der Prozess zur schnellen Identifizierung von Stromproblemen mit der FFT-Funktion des Oszilloscopes, aus dem man sehen kann, dass die Frequenzbereich-Analysefunktion des Oszilloscopes bei der Schaltungsabrüstung eine große Rolle spielen kann. Die FFT-Funktion des Oszilloskops in Verbindung mit der langen Speichertiefe ermöglicht die einfache Analyse von Signalen mit niedriger Frequenz und langem Zyklus, was bei der Debugging digitaler Schaltungen besonders wichtig ist.