Ez az esés akkora is lehet, hogy működési rendellenességeket válthat ki, akár újra is indíthatja a mikroprocesszort. Cikkünkben megvizsgáljuk, hogy mi a valódi oka ezeknek a zavart kiváltó feszültségeséseknek, és megoldási javaslatokat teszünk a tesztrendszer összetevőinek optimális megválasztására...
A megfelelő programozható tápegység kiválasztása
A hagyományos megközelítés szerint a legjobban szabályozott feszültségkimenetet lineáris tápegységgel valósítjuk meg. Nagyobb áramoknál azonban a lineáris tápegységek fizikailag túlságosan nagyok, drágák és rossz hatásfokúak. A kapcsolóüzemű tápegység-topológia jó alternatív megvalósítás azokra az esetekre, amelyeknél nagy teljesítményre van szükség.
A kapcsolóüzemű tápegységek fejlesztőinek nincs könnyű dolguk, hisz egyszerre kell megfelelniük az olyan igényeknek, mint kis kimeneti zaj, gyors tranziensválasz, piacképes ár és nagy teljesítménysűrűség. A kis kimeneti zajszintet általában több szűrőfokozat és/vagy nagyobb szűrők beépítésével érik el, amelyek nemcsak drágák, de a velük elérhető teljesítménysűrűség és tranziensválasz is kisebb, illetve lassúbb. A korszerűbb kapcsolóüzemű tápegységek kapcsolási frekvenciája nagyobb, szűrőkomplexumuk fejlettebb, és vezérlési topológiájuk is kifinomultabb, így megfelelnek a fenti követelményeknek. Integrált áramkörökhöz kapcsolóüzemű tápegységet a feszültségtranziens-válasz és kimeneti impedanciakarakterisztikák pontos ismeretében célszerű választani.
A terheléshez vezető huzalozás optimalizálása
Sok esetben a fizikai adottságok miatt a tápegység akár több méterre is eshet az IC tesztpaneltől, amely miatt értelemszerűen hosszú kábelezésre van szükség. E terheléshez vezető huzalozás impedanciája jelentősen leronthatja azt a forrásimpedanciát, amelyet az IC végeredményben lát. A jobb programozható tápegységek támogatják a távoli érzékelő (remote sensing) funkciót, amely lehetővé teszi a feszültségszabályozási pont kiválasztását az érzékelőbemenetek adott helyre való csatlakoztatásával. Esetünkben ennek a pontnak az IC-hez a lehető legközelebb kell esnie, ám a feszültségszabályozási hurok csak a saját vezérlési sávszélességén belül képes ennél a pontnál a feszültségtranziensek elnyomására. Ebből következik, hogy amíg az áramtranziens felfutási sebessége kellően nagy, feszültségtranziens továbbra is felléphet az érzékelési pontban. A terhelési huzalozás impedanciája alacsonyabb frekvenciákon koncentrált soros induktivitásként és ellenállásként modellezhető (lásd 1. ábra).
Vegyünk példának egy olyan 25 A-es, 5 A tranzienses, 2,5 V-os alkalmazást, amelynél az IC tesztkártyát egy másfél méteres, 14 AWG átmérőjű vezetékkel csatlakoztatjuk a tápegységhez. Mivel kisfeszültségű alkalmazásról beszélünk, a 100 mV-ot meghaladó feszültségesések általában nem megengedhetők. A 14 AWG átmérőjű vezetékek 2,5 mΩ/30 cm ellenállása miatt jelen esetben összesen 25 mΩ ellenállással kell számolnunk a vezetékezés tekintetében a tápegység és az IC tesztpanel között, amely az alábbi egyenlet szerinti feszültségesést eredményezi:
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-1.jpg)
Ezt a számított 125 mV feszültségesést a tápegység feszültségvezérlő köre a sávszélességével összemérhető mértékben kompenzálja, azonban az átmeneti időben az IC tapasztalja az esést. Ebben az alkalmazásban egyedül a vezetékezés saját ellenállása elég ahhoz, hogy elfogadhatatlan mértékű esést okozzon, azonban tovább kell mennünk megvizsgálva a vezetékezés induktív jellemzőit is. Előfordulhat, hogy az 5 amperes tranziens 10 µs nagyságrendnyi idő alatt lép fel, amely a felfutás alatt állandó értékű feszültségesést okoz a vezetékekben. Ezen esés jellemzésére becslést kell adni, mivel a hozzávezetés induktivitása függ attól, hogy a pozitív és negatív vezetékek mennyire esnek közel egymáshoz. A legtöbb esetben egy nem csavart érpáros vezeték induktivitása 250 nH/30 cm értékűnek vehető, az általa okozott feszültségesés pedig az alábbi egyenlet szerint vezethető le:
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-2.jpg)
A rezisztív és induktív jellemzők kombinált hatása az alábbiak szerint modellezhető:
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-3.jpg)
Az 1,375 V teljes feszültségesés semmiképpen sem fogadható el. Mint korábban említettük, a tápegység feszültségszabályozó hurokja érzékelni fogja ezt a tranzienst, és a szükséges mértékben utánhangolja a tápegység kimenetét annak érdekében, hogy a stabil 2,5 V megmaradjon az IC számára. Ez a folyamat azonban akár néhány ms ideig eltarthat még egy jó teljesítményű tápegységnél is. A vezetékezés induktív hatása mérsékelhető a tápvonalak szabályos térközönkénti összeszorításával vagy összecsavarásával — ez utóbbi ráadásul jobb immunitást is biztosít a külső mágneses mezőkkel szemben, amelyek más, nagy áramú rendszerek esetén lehetnek jelen. Az összecsavart vezetékek 170 nH/30 cm paraméterű tekercsként modellezhetők, amely tartalmazza a pozitív és negatív vonalak induktív hatását is. A csavart érpáras konfigurációban a feszültségesés az alábbiak szerint alakul:
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-4.jpg)
Bár a feszültségesést ezzel sikerült a töredékére csökkentenünk, a teljes eredmény még mindig elmarad az elvárttól, így párhuzamos kábelezés segítségével további finomításra van szükség. Például, négy csavart érpár beiktatásával negyedére csökkenthető a kábelezés ellenállása és induktivitása:
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-5.jpg)
Ugyan a 100 mV-os álomhatárhoz sikerült egy kicsit közelebb kerülni, kissé még mindig távoli, hiszen figyelembe kell vennünk, hogy a tápegység további tranziensesést fog produkálni, mialatt az áramváltozásra reagál. A még specializáltabb vezetékezési megoldásokkal (pl. egyedi koaxiális vagy lapos vezetékek) még tovább lehet javítani az induktív jellemzőket, egészen akár 10 nH/30 cm-ig, ezek azonban igen költségesek és nehezen elérhetők. A végső megoldás az, hogy kisimpedanciás energiatárolót kell a rendszerbe betervezni, és a tesztpanelhez minél közelebb elhelyezni.
A bypass-kondenzátor1 használata
A tápegység nem képes minden vezetékterhelésnél teljesen kompenzálni a feszültségesést, és nem tudja néha saját kimenetét sem kellően gyorsan követni, ezért helyi energiaforrásra van szükség (lásd 2. ábra). A kondenzátor kisimpedanciás és nagyfrekvenciás jellemzői ideálisak, hiszen jól megfelelnek a tápegység kisimpedanciás jellemzőinek kis frekvencián. Sokféle kondenzátortopológia ismeretes, a megfelelő kiválasztásának feladata a tervezőre hárul. A kerámiakondenzátorok a nagyfrekvenciás bypass-szerepre ideálisak kis feszültségek esetén, azonban még a legújabb fejlesztésű alkatrészek sem veszik fel a versenyt az alumínium- és vezetőpolimeres alumínium elektrolitkondenzátorok által kínált árral és teljesítménysűrűséggel. A bypass-hálózat ekvivalens soros ellenállása2 fontos paraméter, mivel a kondenzátorral sorosan jelenik meg, és jelentősen csökkentheti a bypass-hálózat hatékonyságát. A megengedhető legkisebb méretű kondenzátor kiválasztásával elérhető a legkisebb lehetséges soros ekvivalens ellenállás és legnagyobb teljesítménysűrűség.
A tápegység feszültségvezérlő köre, a terhelési vezetékezés és a bypass-kondenzátor egymáshoz való viszonya összetett lehet, az alábbi becslések azonban hasznosak lehetnek a kondenzátor értékének megbecsüléséhez:
1. folyamatlépcső: a hálózati csúcsimpedancia kiszámítása
Az alábbi egyenlet alapján határozzuk meg a terhelési vezetékhálózat és bypass-kondenzátor elvárt csúcsimpedanciáját:
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-6.jpg)
2. folyamatlépcső: a bypass-kondenzátor értékének meghatározása
Az elvárt csúcsimpedanciát úgy állítsuk be, hogy értéke a terhelési vezetékezés induktivitása és a bypass-kondenzátor kapacitása által kiadott LC-tag karakterisztikus impedanciájával egyezzen meg:
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-7.jpg)
3. folyamatlépcső: az LC-tag rezonancia-frekvenciájának kiszámítása
A használt tápegység kimeneti impedanciájának kisebbnek kell lennie, mint az LC-tag karakterisztikus impedanciája, máskülönben a végzett számítás nem megfelelően becsüli meg a rendszer viselkedését. A tápegység kimeneti impedanciája a frekvencia csökkenésével párhuzamosan csökken. Ha a tápegység kimeneti impedanciája magasabb, mint az elvárt csúcsimpedancia, azt a rezonanciafrekvenciát kell választani, amelynél a tápegység kimeneti impedanciája kisebb vagy egyenlő, mint a csúcsimpedancia. A rezonanciafrekvenciát nagyobb értékű bypass-kondenzátor választásával lehet csökkenteni.
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-8.jpg)
4. folyamatlépcső: a szükséges kondenzátor ESR meghatározása az LC-tag megfelelő csillapításához
A rezgőtag megfelelő csillapítása kritikus fontosságú, mivel a nem megfelelő csillapítás a tápegység vezérlőkörére nézve stabilitásvesztést is okozhat. A terhelési vezetékezés és a kondenzátor-ESR együttesen végzik a rezgőtag csillapítását. A rövid reakcióidő és kisebb csúcsfeszültség érdekében 0,5-ben határozzuk meg a csillapítási arányt.
![](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-e-9.jpg)
Ha éppen nincs a szükségesnek megfelelő kapacitású/ekvivalens soros ellenállású kondenzátor, úgy ezek tetszőleges párhuzamos kombinációja is használható.
A végeredmény
A 3. ábra a terhelésen jelentkező feszültségtranzienst ábrázolja, amelyet egy Agilent Technologies N7950A típusnevű dinamikus DC tápegységgel kaptunk. Az Agilent a legújabb fejlesztésű, VersaPower architektúrára épülő N7900A tápegységcsaládját kifejezetten kisebb feszültségszintekre és nagy áramú alkalmazásokra tervezte, nagyon alacsony kimeneti impedanciája pedig ideálissá teszik az ilyesfajta alkalmazásokra.
Összegzés
![4. ábra. Az Agilent új, VersaPower architektúrás N7900A tápegységcsaládja](/images/stories/cikkek/2013/11/medexpert-0.jpg)
Cikkünkben megvizsgáltuk, hogy milyen követelményeket jelent a nagy dinamikatartományú terhelés a tápegységre nézve, ha a bemért eszköztől a tápegység távolabb helyezkedik el. Bár a terhelési vezetékezés impedanciajellemzői jelentősen ronthatják a tápegység tranziensválasz-képességét a bemutatott megoldásokkal jelentősen csillapítható ezek káros hatása, és elérhető az elvárt teljesítmény. Az Agilent Technologies frissen bemutatott, VersaPower architektúrás N7900A tápegységcsaládját (lásd 4. ábra) kisfeszültségű, nagy áramú alkalmazásokra ajánlja, a kimagaslóan alacsony, 0,04% alatti erősítési hibán felül a műszer igen kifinomult mérési képességekkel is rendelkezik, megbízhatóságát pedig az Agilent termékekre jellemző körültekintő tervezés és az extrém feltételek mellett végzett tesztelés is garantálja.
1: A bypass kondenzátor feladata a tápegység vagy egyéb, nagyimpedanciás áramköri alkatrész kikerülése.
2: ESR: Equivalent Series Resistance.