Analisi dei circuiti di alimentazione dei dispositivi SoC ad alta velocità con convertitori buck multifase

Attività da eseguire

Ogni fase di un convertitore buck multifase (convertitore interleaved) ha almeno un set di transistor di commutazione e un induttore. Per beneficiare delle proprietà multifase, i tempi di attivazione delle fasi vengono sfasati l'uno rispetto all'altro. Nel funzionamento stazionario ad alto carico, tutti gli stadi dovrebbero essere attivi e sfasati in modo equo l'uno rispetto all'altro, con la corrente di alimentazione bilanciata tra gli stadi. Di conseguenza, anche le correnti dell'induttore sono sfasate, per ridurre al minimo l'ondulazione, sia nella corrente di alimentazione che nella tensione di alimentazione. A livelli di corrente elevati, le perdite di conduzione dominano. Quindi, i convertitori buck multifase hanno un'efficienza superiore e una minore dissipazione di calore rispetto ai convertitori singoli, perché la corrente totale viene distribuita su più stadi anziché su un singolo stadio.

I convertitori buck multifase basati su controller hanno un'efficienza ancora maggiore, in quanto possono attivare dinamicamente gli stadi durante i periodi di carico elevato e spegnere alcuni stadi durante i periodi di funzionamento a basso carico.

I convertitori buck multifase hanno anche un'ottima risposta alle variazioni di carico. Dal momento che i tempi di attivazione delle fasi sono sfasati tra loro, un convertitore buck multifase può reagire rapidamente a una variazione di carico regolando il segnale di modulazione a larghezza di impulso (PWM) per la fase immediatamente successiva alla variazione di carico. Nelle configurazioni impilate (stacked), il controller primario fornisce il segnale PWM per tutte le fasi. Il progetto mantiene uno sfasamento predefinito tra gli stadi. I design multifase basati su controller possono allineare dinamicamente le fasi o attivare/disattivare i segnali PWM per gli stadi corrispondenti, al fine di minimizzare ulteriormente le sottoelongazioni e le sovraelengazioni causate da queste transizioni di carico.

Anche se sono uno strumento potente per migliorare le prestazioni e l'efficienza del design di circuiti di potenza con SoC ad alta velocità, i convertitori buck multifase possono rendere più impegnativi i test di validazione e debugging quando si analizza la gestione delle fasi in diverse condizioni di carico statico o in scenari di variazione di carico dinamico.

Applicazione

Le misure tipiche utilizzate nella progettazione di circuiti di potenza con convertitori buck multifase includono:

• Misure di efficienza
  Il sistema effettua misure di efficienza del convertitore buck multifase su diversi carichi e in diversi scenari di carico dinamico tipici.
• Analisi dell'integrità dell'alimentazione della tensione di alimentazione per circuiti integrati SoC ad alta velocità
  Le misure in diverse condizioni di carico statico e in scenari di variazione di carico dinamico assicurano che la tensione della linea di alimentazione sia conforme alle tolleranze di rumore, ondulazione, sottoelongazione e sovraelengazione richieste. Le misure di solito avvengono nei domini del tempo e della frequenza.

• Analisi di fase degli stadi all'interno del convertitore buck multifase
  Le misure vengono effettuate in condizioni di carico statico e in scenari di variazione di carico definiti, per verificare che gli stadi del convertitore buck multifase reagiscano alle variazioni di carico con una bassa latenza e per verificare la gestione complessiva delle fasi in tutti gli stadi.

Soluzione Rohde & Schwarz

La serie di oscilloscopi MXO 58 offre un totale di 8 canali analogici con larghezze di banda fino a 2 GHz (modalità interleaved). L'opzione R&S®MXO5-B1 consente di aggiungere 16 canali digitali senza sacrificare alcuno degli 8 canali analogici. Grazie all'accelerazione hardware integrata, l'oscilloscopio MXO 58 offre una velocità e una frequenza di acquisizione senza rivali, fino a 4,5 milioni di forme d'onda al secondo, e una frequenza di calcolo della FFT fino a 45.000 FFT al secondo.

Lo strumento ha un offset regolabile fino a 2 V (a 50 Ω) o fino a 5 V (a 1 MΩ), anche quando l'asse verticale è impostato alla massima sensibilità di 0,5 mV/div. Insieme a una risoluzione di 12 bit (fino a 18 bit in modalità HD), ciò garantisce la massima accuratezza per la misura di piccole perturbazioni su una linea di alimentazione DC.

L'oscilloscopio MXO 5 dispone di serie di un potente e versatile sistema di trigger digitale, che supporta tutte le funzioni immaginabili, dal semplice trigger sui fronti al trigger sequenziale A/B/R, fino al più potente trigger a zona. Con il trigger a zona possono essere catturati eventi specifici combinando diverse definite dall'utente che esaminano diverse fonti di segnale (forme d'onda acquisite, forme d'onda matematiche o visualizzazioni dello spettro).

Come con l'oscilloscopio MXO 5C, lo strumento è disponibile anche senza display, in un formato compatto da 2 unità di altezza (HU) per il controllo remoto dell'unità nelle applicazioni di test automatizzate.

Le perturbazioni sulle linee di alimentazione vengono misurate al meglio con una sonda dedicata alle linee di alimentazione, come il modello R&S®RT-ZPR. Dal momento che è una sonda 1:1, ha la sensibilità necessaria per questa tipologia di misura. La sonda viene fornita con un misuratore di tensione continua integrato, per misurare facilmente la tensione continua della linea di alimentazione e sottrarla automaticamente nel circuito di offset. Con questo accorgimento, la sensibilità ottimale dell'oscilloscopio MXO 5 può essere sfruttata per misurare con accuratezza le interferenze su una linea di alimentazione, mostrando comunque i valori effettivi in corrente continua per la tensione della linea di alimentazione. Sono possibili errori di misura derivanti da loop di massa nella configurazione di prova per progetti di alimentazione con alta corrente di alimentazione. Combinando la sonda R&S®RT-ZPR con l'isolatore coassiale Picotest J2115A, si riducono significativamente questi errori del loop di massa.

Anche gli effetti del loop di massa, causati dai livelli di corrente elevati nei vari stadi dei convertitori buck multifase, devono essere presi in considerazione quando si misura la tensione del nodo di commutazione. Sonde differenziali come il modello R&S®RT-ZD eliminano questi effetti e sono ideali per tali misure.

Le sonde di corrente R&S®RT-ZCxx e le bobine Rogowski possono essere utilizzate per misurare la corrente e calcolare la potenza istantanea nelle misure di efficienza energetica.

Riassunto

Le serie di oscilloscopi MXO 5 e MXO 5C sono ideali per analizzare l'integrità dell'alimentazione nei progetti di alimentazione dei circuiti di alimentazione dei dispositivi SoC ad alta velocità. Fino a 8 canali analogici e 16 canali digitali, così come una vasta gamma di sonde, aiutano gli strumenti a misurare con accuratezza il rumore, l'ondulazione, le sottoelongazioni e le sovraelengazioni con un'eccellente sensibilità. La velocità di misura senza rivali e il potente sistema di trigger rilevano efficientemente le interferenze sulla linea di alimentazione nel dominio del tempo e della frequenza per aiutare ad analizzare i segnali PWM in tutte le fasi di un convertitore buck multifase.