Анализ высокоскоростных силовых устройств SoC с помощью многофазных понижающих преобразователей

Измерительная задача

Каждая фаза многофазного понижающего преобразователя (с чередованием) состоит как минимум из одного набора переключающих транзисторов и одной катушки индуктивности. Для многофазной работы выполняется смещение времени включения фаз относительно друг друга. В устойчивом состоянии высокой нагрузки все каскады должны быть активированы и иметь одинаковое смещение, при этом ток питания должен быть равномерно распределен между каскадами. В результате токи катушки индуктивности также имеют сдвиг по фазе, чтобы свести к минимуму пульсации в токе и напряжении питания. При высоких токах преобладают потери на диэлектрическую проводимость. Таким образом, многофазные понижающие преобразователи имеют превосходную эффективность и пониженное рассеяние тепла по сравнению с однофазными преобразователями, поскольку общий ток распределяется по нескольким каскадам вместо одного каскада.

Многофазные понижающие преобразователи на основе контроллера имеют еще более высокую эффективность, т. к. они способны динамически активировать каскады во время периодов высокой нагрузки и деактивировать каскады во время периодов низкой нагрузки.

Кроме того, многофазные понижающие преобразователи имеют отличное время реакции на изменения нагрузки. Благодаря смещению времени включения фаз многофазный понижающий преобразователь может быстро реагировать на изменение нагрузки путем подстройки сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для фазы, следующей немедленно за изменением нагрузки. Во многоуровневых устройствах первичный контроллер обеспечивает сигнал ШИМ для всех фаз. Устройство поддерживает заданную разность фаз между каскадами. Многофазные понижающие преобразователи на основе контроллера способны проводить динамическое согласование фаз, а также активировать и деактивировать сигналы ШИМ для соответствующих каскадов, чтобы дополнительно снижать положительные и отрицательные выбросы от переходных процессов изменения нагрузки.

Многофазные понижающие преобразователи являются отличным инструментом для улучшения рабочих характеристик и эффективности высокоскоростных силовых устройств SoC, однако при этом они могут усложнять задачи валидации и отладки, в которых требуется анализ управления фазами при различных статических нагрузках или в различных сценариях динамического изменения нагрузки.

Применение

Типичные измерения силовых устройств с помощью многофазных понижающих преобразователей:

• Измерения эффективности
  Система проводит измерения эффективности многофазного понижающего преобразователя при различных нагрузках и в типичных сценариях динамического изменения нагрузки.
• Анализ целостности питания для высокоскоростных устройств SoC
  Измерения при различных статических нагрузках и в различных сценариях динамического изменения нагрузки помогают гарантировать соблюдение допусков на шумы, пульсации, положительные и отрицательные выбросы для напряжения шины питания. Как правило, измерения проводятся во временной и частотной областях.

• Анализ фаз каскадов многофазного понижающего преобразователя
  Измерения проводятся при различных статических нагрузках и в заданных сценариях динамического изменения нагрузки. Таким образом проверяется реакция каскадов многофазного понижающего преобразователя на изменения нагрузки с малым временем задержки, а также проверяется общее управление фазами на всех каскадах.

Решение компании Rohde & Schwarz

Осциллограф серии MXO 58 имеет 8 аналоговых каналов и полосы пропускания до 2 ГГц (режим с чередованием). Опция R&S®MXO5-B1 позволяет добавить 16 цифровых каналов без необходимости отказа от одного из восьми аналоговых каналов. Благодаря встроенному аппаратному ускорению осциллограф MXO 58 обладает непревзойденной скоростью сбора данных до 4,5 млн осциллограмм/с и скоростью быстрого преобразования Фурье до 45 000 БПФ/с.

Прибор имеет настраиваемое смещение до 2 В (при 50 Ом) или до 5 В (при 1 МОм) даже при максимальной чувствительности 0,5 мВ/дел. Наряду с 12-разрядным разрешением (до 18 разрядов в режиме высокой четкости) это обеспечивает максимальную точность измерений малейших помех в шинах питания постоянного тока.

В стандартной комплектации приборы серии MXO 5 оснащены мощной и универсальной системой цифрового запуска, которая включает в себя все варианты от базового запуска по фронту сигнала до последовательного запуска A/B/R и мощного зонального запуска. При использовании зонального запуска можно захватывать конкретные события путем запуска по комбинации определяемых пользователем зон от различных источников сигналов (измеренные осциллограммы, расчетные осциллограммы или диаграммы спектра).

Модель MXO 5C также предлагается без дисплея в компактном форм-факторе 2 HU в целях дистанционного управления прибором в автоматизированных испытательных системах.

Помехи в шинах питания рекомендуется измерять с помощью специального пробника шин питания, такого как R&S®RT-ZPR. Этот пробник 1:1 имеет чувствительность, необходимую для данного измерения. Пробник имеет встроенный измеритель постоянного тока, который позволяет легко измерять напряжение шины питания и автоматически вычитать его из цепи смещения. Таким образом можно оптимально использовать чувствительность прибора MXO 5, чтобы точно измерять помехи в шине питания и при этом отображать фактические значения постоянного напряжения шины питания. В испытательных установках для силовых устройств с высокими токами питания возможны погрешности измерений по причине контуров заземления. Применение пробника R&S®RT-ZPR в сочетании с коаксиальным изолятором Picotest J2115A позволяет существенно снижать такие погрешности.

Эффекты контуров заземления, обусловленные высокими уровнями тока в различных каскадах многофазного понижающего преобразователя, также необходимо принимать во внимание при измерении напряжения узла коммутации. Дифференциальные пробники, такие как R&S®RT-ZD, устраняют эти эффекты и идеально подходят для данных измерений.

Токовые пробники R&S®RT-ZCxx и пояс Роговского можно применять в целях измерений тока и расчета мгновенной мощности при измерениях эффективности электропитания.

Заключение

Осциллографы MXO 5 и MXO 5C идеально подходят для проведения анализа целостности питания высокоскоростных силовых устройств SoC (система на кристалле). С помощью 8 аналоговых и 16 цифровых каналов и широкого выбора пробников эти приборы с высокой чувствительностью обеспечивают точное измерение шумов, пульсаций, положительных и отрицательных выбросов. Непревзойденная скорость измерений и мощная система запуска помогают эффективно обнаруживать помехи в шинах питания во временной и частотной областях в рамках анализа сигналов ШИМ во всех каскадах многофазного понижающего преобразователя.