Análisis de diseños eléctricos para SoC de alta velocidad con convertidores reductores multifase

Su misión

Cada fase de un convertidor reductor multifase (convertidor intercalado) tiene como mínimo un juego de transistores de conmutación y un inductor. Para aprovechar las propiedades multifase, los tiempos de encendido de las fases tienen un desplazamiento entre sí. En la operación con alta carga en régimen permanente, todas las etapas deberían estar activas y tener el mismo desplazamiento entre sí con la corriente de alimentación equilibrada entre las etapas. Como consecuencia, las corrientes del inductor también presentan un desplazamiento de fase para reducir al mínimo el rizado tanto de la corriente de alimentación como de la tensión de alimentación. Con altos niveles de corriente predominan las pérdidas de conducción. Por lo tanto, los convertidores reductores multifase ofrecen mayor eficiencia y una menor disipación del calor que los convertidores monofase, ya que la corriente total se distribuye entre varias etapas y no se limita a una sola.

Los convertidores reductores multifase que incorporan un controlador ofrecen todavía más eficiencia, ya que pueden activar las etapas de forma dinámica durante los periodos de carga alta y eliminar etapas en los periodos de carga baja.

Los convertidores reductores multifase ofrecen también una excelente respuesta a pasos de carga. Puesto que los tiempos de encendido de las fases tienen un desplazamiento entre sí, un convertidor reductor multifase puede reaccionar rápidamente a un paso de carga ajustando la señal de modulación por anchura de impulsos (PWM) para la fase inmediatamente después del paso de carga. En diseños apilados, el controlador principal proporciona la señal PWM para todas las fases. El diseño mantiene un desplazamiento de fase predefinido entre las etapas. Los diseños multifase basados en controlador pueden realizar de forma dinámica la alineación de fase o activar/desactivar señales PWM para las etapas correspondientes con el fin de reducir al mínimo los subimpulsos y sobreimpulsos de estos transitorios de carga.

Si bien son una potente herramienta para mejorar el rendimiento y la eficiencia en los diseños eléctricos de SoC de alta velocidad, los convertidores reductores multifase pueden plantear dificultades en los test de validación y depuración a la hora de analizar la gestión de fases bajo diferentes condiciones de carga estática o escenarios de pasos de carga dinámicos.

Aplicación

Las medidas típicas de un diseño eléctrico con convertidores reductores multifase incluyen:

• Medidas de eficiencia
  El sistema realiza medidas de eficiencia del convertidor reductor multifase con diferentes cargas y en escenarios de carga dinámica típicos.
• Análisis de integridad de la tensión de alimentación para SoC de alta velocidad
  Medidas con diferentes condiciones de carga estática, así como con escenarios de pasos de carga dinámicos garantizan que la tensión de la línea de alimentación cumple los requisitos de tolerancia de ruido, rizado, subimpulso y sobreimpulso. Las medidas se ejecutan generalmente en el dominio temporal y frecuencial.

• Análisis de fase de las etapas dentro del convertidor reductor multifase
  Las medidas se llevan a cabo con condiciones de carga estática y con escenarios de paso de carga definidos para verificar que las etapas del convertidor reductor multifase reaccionan a los pasos de carga con baja latencia y para comprobar la gestión de fases en conjunto en todas las etapas.

Solución Rohde & Schwarz

El osciloscopio de la serie MXO 58 proporciona un total de 8 canales analógicos y anchos de banda de hasta 2 GHz (modo intercalado). La opción R&S®MXO5-B1 permite añadir 16 canales digitales sin penalizar ninguno de los ocho canales analógicos. Gracias a la aceleración por hardware integrada, el MXO 58 alcanza velocidades imbatibles y una frecuencia de adquisición de hasta 4,5 millones de formas de onda por segundo, así como hasta 45 000 FFT/s.

El instrumento incluye un offset ajustable de hasta 2 V (a 50 Ω) o de hasta 5 V (a 1 MΩ), incluso con el nivel más alto de sensibilidad de 0,5 mV/div. Combinado con una resolución de 12 bits (hasta 18 bits en modo HD), se consigue así la máxima precisión a la hora de medir pequeñas perturbaciones en una línea de alimentación de CC.

El MXO 5 incluye de serie un potente y versátil sistema de disparo digital que abarca desde un disparo básico de flanco mediante disparo secuencial A/B/R hasta disparos avanzados por zona. Con el disparo por zona se pueden capturar eventos específicos realizando el disparo en una combinación de zonas definida por el usuario desde diferentes fuentes de señal (formas de onda adquiridas, formas de onda matemáticas o vistas de espectro).

Al igual que el MXO 5C, el instrumento también está disponible sin pantalla, en formato compacto de 2 unidades rack, para el control remoto de la unidad en aplicaciones de medida automatizadas.

La mejor forma de medir perturbaciones en líneas de alimentación es con una sonda para carriles de potencia (Power Rail) específica como la R&S®RT-ZPR. Se trata de una sonda 1:1 y ofrece por tanto la sensibilidad necesaria para este tipo de medidas. La sonda incorpora un medidor de CC para medir con facilidad la tensión continua de la línea de alimentación y sustraerla automáticamente en el circuito de offset. Esto permite utilizar la sensibilidad óptima en el MXO 5 para medir con precisión perturbaciones en una línea de alimentación, y al mismo tiempo visualizar los valores reales de CC para la tensión de la línea de alimentación. En la configuración de medida para diseños eléctricos con alta corriente pueden producirse errores de medida derivados de bucles de tierra. Combinando la sonda R&S®RT-ZPR con el aislador coaxial Picotest J2115A se reducen en gran medida estos errores de bucle de tierra.

Los efectos de bucle de tierra provocados por los altos niveles de corriente en las distintas etapas de los convertidores reductores multifase también deben tenerse en cuenta al medir la tensión del nodo de conmutación. Las sondas diferenciales como la R&S®RT-ZD eliminan estos efectos y son ideales para este tipo de medidas.

Para medir corrientes y calcular la potencia instantánea en medidas de eficiencia se pueden utilizar sondas de corriente R&S®RT-ZCxx y bobinas de Rogowski.

Resumen

Los osciloscopios de la serie MXO 5 y MXO 5C son ideales para analizar la integridad del suministro de corriente en diseños eléctricos de SoC de alta velocidad. Con hasta 8 canales analógicos y 16 digitales, así como una amplia gama de sondas, los instrumentos permiten obtener medidas precisas de ruido, rizado, subimpulsos y sobreimpulsos con una extraordinaria sensibilidad. La incomparable velocidad de medida y el potente sistema de disparo detectan de forma eficaz perturbaciones en las líneas de alimentación en el dominio temporal y frecuencial, lo que facilita el análisis de señales PWM en todas las etapas de un convertidor reductor multifase.