Analyse von Leistungselektronik-Designs für Hochgeschwindigkeits-SoC mit mehrphasigen Abwärtswandlern

Ihre Anforderung

Für jede Phase eines mehrphasigen Abwärtswandlers (Interleaved Converter) sind mindestens ein Satz Schalttransistoren und eine Induktivität vorhanden. Um die Mehrphaseneigenschaften zu nutzen, werden die Ein-Zeiten der Phasen gegeneinander verschoben. Im stationären Betrieb bei hoher Last sollten alle Phasen des Mehrphasen-Buck-Wandlers aktiv und gleichmäßig zueinander phasenverschoben und der Versorgungsstrom gleichmäßig auf die Phasen verteilt sein. Folglich werden auch die Induktorströme phasenverschoben, um die Welligkeit im Versorgungsstrom und in der Versorgungsspannung zu minimieren. Bei hohen Strömen dominieren die Leitungsverluste. Mehrphasige Abwärtswandler weisen eine höhere Effizienz und geringere Wärmeabgabe als Einzelwandler auf, da der Gesamtstrom auf mehr als eine Stufe verteilt wird.

Controller-basierte mehrphasige Abwärtswandler sind sogar noch effizienter, da sie während Zeiten mit hoher Last dynamisch Stufen aktivieren und bei geringer Last Stufen entfernen können.

Mehrphasige Abwärtswandler reagieren außerdem hervorragend auf Lastsprünge. Da die Ein-Zeiten der Phasen gegeneinander verschoben sind, kann ein mehrphasiger Abwärtswandler durch Anpassen des PWM-Signals (Pulsweitenmodulation) für die Phase unmittelbar nach dem Lastsprung schnell reagieren. Bei gestapelten Designs stellt der primäre Controller das PWM-Signal für alle Phasen bereit. Das Design behält eine vordefinierte Phasenverschiebung zwischen den Stufen bei. Bei Controller-basierten Mehrphasen-Designs können die PWM-Signale der entsprechenden Stufen dynamisch phasenausgerichtet oder aktiviert/deaktiviert werden, um Überschwinger und Unterschwinger bei Lasttransienten weiter zu minimieren.

Mehrphasige Abwärtswandler stellen zwar ein leistungsfähiges Werkzeug zur Verbesserung der Performance und Effizienz der Leistungselektronik-Designs von Hochgeschwindigkeits-SoCs dar. Jedoch können sich Validierungs- und Fehlersuchtests schwieriger gestalten, wenn das Phasenmanagement unter verschiedenen statischen Lastbedingungen oder bei dynamischen Lastsprüngen zu analysieren ist.

Anwendung

Zu den typischen Messungen bei Leistungselektronik-Designs mit mehrphasigen Abwärtswandlern gehören:

• Wirkungsgradmessungen
  Das System führt Wirkungsgradmessungen des mehrphasigen Abwärtswandlers bei unterschiedlichen Lasten und in typischen dynamischen Lastszenarien durch.
• Leistungsintegritätsanalyse der Versorgungsspannung für Hochgeschwindigkeits-SoCs.
  Messungen unter verschiedenen statischen Lastbedingungen sowie bei dynamischen Lastsprüngen stellen sicher, dass die Versorgungsspannung den vorgegebenen Toleranzen für Rauschen, Welligkeit, Unterschwingen und Überschwingen entspricht. Die Messungen finden typischerweise im Zeit- und Frequenzbereich statt.

• Phasenanalyse der Stufen innerhalb des mehrphasigen Abwärtswandlers
  Es werden Messungen unter statischen Lastbedingungen und in definierten Lastsprung-Szenarien durchgeführt. Damit wird überprüft, ob die Stufen des Mehrphasen-Abwärtswandlers mit niedriger Latenz auf die Lastsprünge reagieren, und das gesamte Phasenmanagement wird über alle Stufen verifiziert.

Lösung von Rohde & Schwarz

Das MXO 58 Oszilloskop bietet insgesamt 8 analoge Kanäle und Bandbreiten bis zu 2 GHz (Interleaved-Modus). Mit der R&S®MXO5-B1 Option können 16 digitale Kanäle hinzugefügt werden. Die acht analogen Kanäle bleiben erhalten. Dank integrierter Hardwarebeschleunigung bietet das MXO 58 eine unübertroffene Geschwindigkeit, eine Erfassungsrate von bis zu 4,5 Millionen Messkurven/s und eine FFT-Rate von bis zu 45.000 FFTs/s.

Das Gerät verfügt über einen einstellbaren Offset von bis zu 2 V (bei 50 Ω) oder bis zu 5 V (bei 1 MΩ), selbst bei der höchsten Empfindlichkeit von 0,5 mV/Div. In Verbindung mit der 12-bit-Auflösung (bis zu 18 bit im HD-Modus) wird bei der Messung kleiner Störungen auf Gleichstromversorgungen maximale Genauigkeit erzielt.

Das MXO 5 ist standardmäßig mit einem leistungsfähigen und vielseitigen digitalen Triggersystem ausgestattet, das alles vom einfachen Flankentrigger über den A/B/R-Sequenztrigger bis hin zu nützlichen Zone Triggers bietet. Bestimmte Ereignisse können erfasst werden, indem mit dem Zone Trigger auf eine Kombination benutzerdefinierter Zonen verschiedener Signalquellen (erfasste Signalformen, mathematisch erzeugte Messkurven oder Spektrumansichten) getriggert wird.

Wie das MXO 5C ist das Gerät auch ohne Display in kompakter 2-HE-Bauform zur Fernsteuerung des Geräts in automatisierten Testanwendungen erhältlich.

Störungen auf Stromversorgungsleitungen lassen sich am besten mit einem speziellen Power-Rail-Tastkopf wie dem R&S®RT-ZPR messen. Da es sich um einen 1:1-Tastkopf handelt, ist die für diese Messung erforderliche Empfindlichkeit gewährleistet. Der Tastkopf verfügt über ein eingebautes DC-Voltmeter, mit dem sich die Gleichspannung der Stromversorgungsleitung einfach messen und automatisch in der Offset-Schaltung subtrahieren lässt. Damit kann im MXO 5 die optimale Empfindlichkeit genutzt werden, um Störungen auf einer Stromleitung genau zu messen und gleichzeitig die tatsächlichen DC-Werte der Versorgungsspannung anzuzeigen. Bei Leistungselektronik-Designs mit hohem Versorgungsstrom sind Messfehler aufgrund von Erdschleifen im Testaufbau möglich. Durch die Kombination des R&S®RT-ZPR mit dem Picotest J2115A Koaxialisolator werden diese Erdschleifenfehler erheblich reduziert.

Erdschleifeneffekte, die durch die hohen Strompegel in den verschiedenen Stufen der mehrphasigen Abwärtswandler verursacht werden, müssen ebenfalls berücksichtigt werden, wenn die Schaltknotenspannung gemessen wird. Differenzialtastköpfe wie der R&S®RT-ZD eliminieren diese Effekte und sind ideal für solche Messungen.

Mit den R&S®RT-ZCxx Stromzangen und Rogowski-Spulen können Sie bei Wirkungsgradmessungen den Strom messen und die Momentanleistung berechnen.

Fazit

Die Oszilloskope der Serien MXO 5 und MXO 5C eignen sich ideal für die Analyse der Leistungsintegrität in Leistungselektronik-Designs von Hochgeschwindigkeits-SoC. Bis zu 8 analoge und 16 digitale Kanäle sowie eine große Auswahl an Tastköpfen ermöglichen eine genaue Messung von Rauschen, Welligkeit, Unter- und Überschwinger mit hervorragender Empfindlichkeit. Dank der unschlagbaren Messgeschwindigkeit und dem leistungsfähigen Triggersystem werden Störungen auf Stromversorgungsleitungen im Zeit- und Frequenzbereich effizient erkannt, um die Analyse von PWM-Signalen in allen Stufen eines mehrphasigen Abwärtswandlers zu unterstützen.