Når man skal evaluere en switch-mode strømforsyning (SMPS), er der flere nøgleparametre at tage hensyn til ved udførelse af en given måling. Præcision i målingerne er afgørende for at sikre, at designbeslutninger ikke sker på et fejlagtigt grundlag som følge af forkerte måledata. Valg af en ordentlig oscilloskopprobe er første skridt mod gode målinger
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 1 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Wesley Ballar, senior produktapplikationsingeniør, og Jake Ciolfi, FAE, begge fra Analog Devices, Inc.
Et oscilloskop er et effektivt værktøj i evalueringen af en SMPS. Det kan dog ikke understreges nok, hvor vigtige de korrekte målemetoder er, hvis oscilloskopet skal opfange de korrekte data. Første skridt på vejen er at vælge den rigtige oscilloskopprobe til de målinger, der skal udføres.
Passive prober er alsidige og gode til præcise signalmålinger, og de indeholder ingen aktive kredsløb og kræver derfor ingen ekstern strømforsyning. Målinger med mindre indgreb i hyperfølsomme kredsløb kræver normalt aktive prober, men de er mere komplekse og også meget dyrere. Vi skal se på, hvordan man kan udføre oscilloskopmålinger med passive 10×-prober, med passive 1×-prober og med koaksialkabler samt kort diskutere, hvilke af de tre der egner sig bedst til aktuelle målinger.
Oscilloskopprober: 10×
10×-prober er generelle standardprober til typiske moderne oscilloskoper. De kaldes 10×, da de har et 10× dæmpningsforhold (attenuation) og derfor reducerer det målte signal med en faktor 10. Oscilloskopets display justerer for denne dæmpning for at vise de korrekte spændingsmålinger, men skal verificeres af brugeren, da oscilloskoper opfører sig forskelligt. 10×-proben har en stor intern impedans, som sammen med oscilloskopimpedansen dividerer signalet med 10 (figur 1). Den høje impedans reducerer belastningen på oscilloskopet og tillader måling af høje spændinger på nogle hundrede volt. Den typiske båndbredde for 10×-prober når op på flere hundrede MHz. Keysights N2873A 10×-probe tåler for eksempel op til 400VDC og har en båndbredde på 500MHz.
Man skal huske at tjekke probens spændings-derating i forhold til frekvensen. En spændings-derating-kurve viser den maksimale spænding, en probe kan måle, ved en given frekvens. Med en øget frekvens kan probens maksimalspænding falde. Kurven i figur 2 er et eksempel for N2873A.
For at sikre nøjagtige målinger i kHz-området har mange 10×-prober en indbygget skrue til justering af kompensationen (figur 3). Med den kan brugerne matche probens kapacitans med oscilloskopets input-kapacitans, Ct/(Cin + Cp) = 1 MΩ/9MΩ. Efter justering vil spændingsmålingerne have den rigtige frekvensrespons, så hurtige kanter/edges på kurveformerne bliver målt korrekt uden forvrængning af overshoot eller undershoot. Proben skal kalibreres hver gang, den forbindes til et nyt oscilloskop for at kompensere for de små forskelle, der er i de analoge front-ends – selv ved skift mellem de forskellige kanaler på det samme oscilloskop. For at kalibrere proben skal man forbinde den til oscilloskopets indbyggede firkantkurve-generator og justere probens kompensationsskrue, indtil det observerede spændingssignal optræder firkantet uden (nogen) overshoot eller afrunding af flankerne (figur 4).
10×-proberne er særdeles egnede til måling af switch-node spændingerne i SMPS’er, og de kan også bruges til måling af VIN, VOUT og højfrekvente kurveformer på signalniveau. 10×-proben anbefales til disse målinger på grund af probens evne til at slippe højere frekvenser og spændinger igennem.
Oscilloskopprober: 1×
Den passive 1×-probe (figur 5) er også ganske udbredt. Den har en 1:1 attenuation og dæmper derfor ikke det målte spændingssignal. Disse prober har en meget lavere impedans end 10×-proberne og kræver ingen kalibrering, ligesom oscilloskopet ikke justerer måleskalaen, hvorved det opsamlede billede har en finere opløsning, typisk ned til 1mV/div.
1×-prober har et spændingsområde i tital af volt. Båndbredden for disse prober er også op til nogle tital af MHz. En Fluke PM9001 1×-probe har for eksempel en impedans mindre end 1kΩ, en maksimal målespænding på 30V samt en båndbredde på 15MHz. En 1×-probe kan anbefales til måling af lave spændinger og frekvenser. Ved måling på spændinger på SMPS’er er 1×-proben nyttig til test af småsignaler til test af input- og output-ripple, så længe frekvensen for disse ripples er holdt i de lave MHz-områder.
Koaksialkabler
10×- og 1×-prober er forbundet til oscilloskopet gennem koaksiale kabler med en centerleder til signalet og en yderskærm til returvejen, hvilket samtidigt fungerer som en effektiv dæmpning af elektrisk støj. Koaksialkablet kan i sig selv bruges som en spændingsprobe forudsat, at termineringerne er rigtige som vist i figur 6. Koaksialkabler har typisk en 50Ω karakteristisk impedans, så oscilloskopet skal indstilles til 50Ω.
Med sin 50Ω impedansindstilling kan oscilloskopet typisk maksimalt supportere spændinger op til 5V. Det begrænser brugen af oscilloskopet, men selv om koaksialkabler derfor medfører måling af lave spændinger alene, så har de meget høje båndbredder. Et Pomona 2249-C-12 BNC-BNC-kabel har en båndbredde på 4GHz, hvilket er mere end, hvad mange oscilloskopprober kan håndtere.
For at anvende koaksialkabler til SMPS-målinger skal det print, man måler på, også været udstyret med en passende matchende konnektor. Man skal altså i forvejen designe sit print med en egnet konnektor – eller sikre sig nok plads til at kunne tilføje én. Der findes et utal af koaksialkabler med forskellige tværsnit og konnektortyper, der passer til demo-boards.
Mange ADI μModule demo-boards anvender 10mmØ BNC-konnektorer. En BNC-BNC-forbindelse anvendes typisk til oscilloskopmålinger på grund af en robust og pålidelig konstruktion, og de kan fås overalt. Disse koaksialkabler bruges typisk til at måle VOUT-ripple i en dynamisk belastning på output af en SMPS. Subminiature Version B (SMB) og Uf.l-konnektorer er to typer af konnektorer, der især bruges til højfrekvente målinger. Det er også gode konnektorer i print, hvor det kniber med pladsen, på grund af disse konnektorers meget lille footprint.
Måling af spændingsripple
Ripple på output-spændingen er en primær specifikation for strømforsyninger og vigtig for sammenligning af forskellige designs. Ved måling af ripple, der er på nogle få tital millivolt eller mindre, kan en probes placering på printet og målemetoden påvirke resultatet betydeligt. Koaksialkabler kan bruges til måling af ripple på input- eller output-spænding, hvis de er under 5V, og hvis der er velfungerende konnektorer til rådighed på evaluerings-boardet. Ellers er en 10×-probe og en 1×-probe begge gode muligheder. Hvis standard jordingsklemmen på disse prober udgør en længere måle-loop, kan det reducere præcisionen i målingerne ved en forøgelse af probens impedans. Pigtail-ledninger må anbefales til denne slags målinger, og de skal have god kontakt til probens tip og jordings-loopen (figur 7). Forskellen mellem testresultater fra en standardprobes jordforbindelse og pigtails kan ses i figur 8. Man kan bruge standard bus-ledninger til at konstruere sine pigtails ved at sno dem stramt til en vikling. Pas dog på med ikke at lave en pigtail på selve proben, da det kan skade den.
Output spændings-ripple måler man typisk på en komponents spændingssensorpunkt på output. I ADI’s μModule demo-boards bliver en i forvejen minimal ripple opfanget af en keramisk kondensator under boardet, direkte under SMPS-outputtet. Ved at montere en keramisk kondensator bliver ripplen fra kondensatorens ESR (ækvivalente seriemodstand) mindre, end hvis den skulle måles over en bulk-kondensator. Ved at måle på boardets underside modsat konverteren skærmer boardet selv mod elektrisk støj. I andre applikationer kan man måske være interesseret i at måle ripple-spændingen på output på et punkt længere væk fra konverteren som i selve belastningen. Formen på den målte ripple vil være forskellig fra den kurveform, der optræder tæt på konverteren på grund af printets parasitiske effekter, og den følgende kapacitans i det aktuelle målepunkt.
Spændings-ripple på input kan måles over input-kondensatoren så tæt på IC’en som muligt, da det direkte er den spænding, som IC’en ”kigger ind i”. Oscilloskopets probe-pigtails kan bruges i denne måling af de førnævnte årsager.
Måling af switch-nodens kurveformer
Korrekte målinger i switch-noden er kritiske, da man ellers vil få forkerte kurveformer, der oftest skyldes falsk ringning, der siden gør debugging af et SMPS-kredsløb vanskeligt. Brug derfor korte pigtails til jording af oscilloskopproben. Det er ikke sikkert, at der er en lettilgængelig jord tæt på switch-noden. For at omgå dét, så krads et lille areal af loddemasken væk fra stelplanet tæt på switch-noden og placér en pigtail på det nu blottede jordareal til målingerne. Pas dog på ikke at kortslutte switch-noden til jord i denne proces. Forskellen mellem switch-nodens kurveformer med en standard probejord i forhold til brugen af pigtails kan ses i figur 9.
I visse μModule-komponenter er switch-noden integreret i komponenten selv for at mindske det samlede areal for løsningen, og den er derfor ikke direkte tilgængelig, som i LTM8050, der er en enkeltkanals 2A step-down konverter. I disse pakker kan man stadig se switch-nodens kurveform ved at placere en svævende oscilloskopprobe over μModule-kapslingen. Det vil give en koblet måling af kurveformen, så man kan se switch-frekvensen og tjekke for stabilitet mellem switch-cyklusserne. Den koblede kurveform giver dog ikke en præcis måling af størrelsen af spændingen.
Den bedste probe til måling på switch-noden er typisk en 10×-probe, da signalet typisk er af højere frekvens eller med en større amplitude, end en 1×-probe vil være i stand til at måle.
Switch-mode strømforsyninger er uden tvivl den rigtige løsning til applikationer, hvor store stigninger eller fald i forsyningsspændingen er afgørende. SMPS’er giver et optimalt trade-off mellem støjydelse og størrelse. Præcise målinger af forsyningernes nøgleparametre er afgørende for at kunne træffe de rigtige valg om forsyningskredsløb til en given applikation.
Billedtekster:
Figur 1: (a) Keysight N2873A 10×-proben og det (b) forenklede ækvivalentdiagram.
Figur 2: Derating for en N2873A 10×-probes spænding vs. frekvens ifølge Keysights datablad.
Figur 3: Sådan kan man tune 10×-probens kompensation med en skruetrækker.
Figur 4: (a) Skarp firkant, (b) overdæmpet, (c) underdæmpet oscilloskop kalibreringsbilleder.
Figur 5: (a) En 1×-probe, Flukes PM9001 og (b) det forenklede ækvivalentdiagram.
Figur 6: Et koaksialkabel med en BNC-konnektor.
Figur 7: Probe-måleforbindelse med pigtails.
Figur 8: VOUT ripple (a) med normal probejordingsklemme i forhold til (b) probe-pigtails.
Figur 9: En switch-nodes kurveform målt (a) med en standard probejord og (b) med pigtail-forbindelser.
Figur 10: Eksempel på opsamling af en switch-nodes kurveform fra en μModule-kapsling ved at lade probespidsen ”svæve” over kapslingen, så man udfører en koblet måling.
Tabel over anvendelse af 10×-, 1×- og BNC-koaksialkabel prober.
