Análisis de los diseños de potencia para los sistemas en chips (SoC) de alta velocidad con convertidores Buck multifásicos

Su misión

Cada fase de un convertidor Buck multifásico (convertidor intercalado) cuenta con al menos un conjunto de transistores de conmutación y un inductor. Para aprovechar las propiedades multifásicas, los tiempos de conexión de las fases se desplazan entre sí. En el modo de operación en estado estacionario de carga alta, todas las etapas deben activarse y desplazarse unas de las otras con la corriente de alimentación balanceada entre etapas. Como resultado, las corrientes del inductor también se desfasan a fin de minimizar el rizado tanto en la corriente como en el voltaje de alimentación. A altos niveles de corriente, las pérdidas de conducción dominan. Los convertidores Buck multifásicos poseen una eficiencia superior y una menor disipación de calor que los convertidores monofásicos, ya que toda la corriente se distribuye a través de múltiples etapas en lugar de en una sola.

Los convertidores Buck multifásicos basados en controladores tienen una eficiencia aún mayor debido a que pueden activar etapas de manera dinámica durante los periodos de carga alta, así como eliminar etapas durante los periodos de carga baja.

Los convertidores Buck multifásicos también responden magníficamente a las etapas de carga. Dado que los tiempos de conexión para las fases se encuentran desplazados entre sí, un convertidor Buck multifásico al ajustar la señal de modulación de ancho de impulsos (PWM) para la fase inmediatamente posterior a la etapa de carga, puede reaccionar rápidamente a una etapa de carga. En los diseños apilados, el controlador central proporciona la señal de PWM para todas las fases. El diseño mantiene un desfase predefinido entre etapas. Los diseños multifásicos basados en controladores pueden alinear dinámicamente la fase o activar/desactivar las señales de PWM para las etapas correspondientes a fin de minimizar aún más los sub/sobreimpulsos de estos transitorios de carga.

Aunque son una potente herramienta para mejorar el rendimiento y la eficiencia del diseño de potencia de los SoC de alta velocidad, los convertidores Buck multifásicos pueden dificultar las pruebas de validación y depuración al momento de analizar la gestión de fases bajo diversas condiciones de carga estática o bajo escenarios de etapas de carga dinámica.

Aplicación

Las mediciones típicas de los diseños de potencia con convertidores Buck multifásicos incluyen:

• Mediciones de eficiencia
  El sistema realiza mediciones de eficiencia del convertidor Buck multifásico en diferentes cargas y a través de escenarios típicos de carga dinámica.
• Análisis de la integridad de potencia del voltaje de alimentación para los SoC
  Las mediciones bajo diversas condiciones de carga estática, así como en escenarios de etapas carga dinámica aseguran que el voltaje de las líneas de alimentación cumpla con la tolerancia al ruido, al rizado, así como a los sub/sobreimpulsos requeridos. Las mediciones por lo general suelen realizarse en los dominios del tiempo y la frecuencia.

• Análisis de fase de las etapas dentro del convertidor Buck multifásico
  Las mediciones se llevan a cabo en condiciones de carga estática y en escenarios de etapas de carga definidos a fin de verificar que las etapas del convertidor Buck multifásico reaccionan a las etapas de carga con una baja latencia, así como para verificar la gestión de fase general en todas las etapas.

Solución de 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 que se añadan 16 canales digitales sin sacrificar ninguno de sus ocho canales analógicos. Gracias a la aceleración por hardware integrada, el MXO 58 tiene una velocidad sin igual y una velocidad de adquisición de hasta 4.5 millones de formas de onda por segundo, así como una velocidad de FFT de hasta 45 000 FFTs/s.

El instrumento cuenta con un offset ajustable de hasta 2 V (a 50 Ω) o hasta 5 V (a 1 MΩ), incluso cuando se ajusta a la sensibilidad más alta de 0.5 mV/div. Junto con una resolución de 12 bit (hasta 18 bits en modo HD), todo esto proporciona la máxima precisión para medir pequeñas interferencias en una línea de alimentación de CC.

El MXO 5 viene con un sistema de disparo digital potente y versátil, con todo tipo de funciones desde un disparo de flanco básico pasando por un disparo de secuencia A/B/R hasta potentes disparos de zona. Pueden capturarse eventos específicos al disparar, con el disparo de zona, sobre una combinación de zonas definidas por el usuario desde diferentes fuentes de señal (formas de ondas adquiridas, formas de onda matemáticas o vistas de espectro).

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

Las perturbaciones en las líneas de alimentación se miden mejor con una sonda específica para la línea de alimentación como la sonda Power Rail R&S®RT-ZPR. Al ser una sonda 1:1, tiene la sensibilidad que se necesita para esta medición. La sonda viene con medidor de CC integrado para medir fácilmente el voltaje CC de la línea de alimentación y restarla de manera automática en el circuito de desfase. Con esto, puede utilizarse la sensibilidad óptima en el MXO 5 para medir con precisión interferencias en una línea de alimentación, mientras se continúan mostrando los valores reales de CC para el voltaje de la línea de alimentación. Es posible que surjan errores de medición debido a los bucles de tierra en la configuración para diseños de potencia con alta corriente de alimentación. Al combinar el R&S®RT-ZPR con el aislador coaxial Picotest J2115Am se reduce en gran medida estos errores de bucle a tierra.

También deben tenerse en cuenta al momento de medir el voltaje del nodo de conmutación, los efectos de bucle a tierra ocasionados por los altos niveles de corriente en las diversas etapas de los convertidores Buck multifásicos. Las sondas diferenciales como la R&S®RT-ZD eliminan estos efectos y son ideales para este tipo de mediciones.

Tanto las sondas de corriente R&S®RT-ZCxx como las bobinas Rogowski pueden utilizarse para medir la corriente, así como para calcular la potencia instantánea en mediciones de eficiencia energética.

Resumen

Los osciloscopios de la serie MXO 5 y MXO 5C son ideales para analizar la integridad de potencia en diseños de potencia del SoC de alta velocidad. Hasta 8 canales analógicos y 16 digitales, así como una amplia gama de sondas, ayudan a los instrumentos a medir con precisión el ruido, el rizado, los subimpulsos, así como los sobreimpulsos con una excelente sensibilidad. La inigualable velocidad y el potente sistema de disparo, detectan de manera eficiente interferencias en la línea de alimentación en el dominio del tiempo y en el de la frecuencia para ayudar a analizar las señales de PWM en todas las etapas de un convertidor Buck multifásico.