Napjaink integrált áramkörei gyorsabbak, mint valaha. A nagy működési sebesség a tápegység részéről nagy dinamikát követel meg, amely a mérések során komoly problémákat okozhat a forrás oldalán, hiszen a nagy sebességű áram-hullámformák beeséseket okozhatnak az IC feszültségszintjeiben

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).

1. ábra. Tápegységkimenet és terhelési vezetékezés egyszerűsített impedanciamodellje

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:

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:

A rezisztív és induktív jellemzők kombinált hatása az alábbiak szerint modellezhető:

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:

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:

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

2. ábra. Tápegységkimenet és terhelési vezetékezés bypass-kondenzátoros modellje

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:

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:

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.

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.

Ha éppen nincs a szükségesnek megfelelő kapacitású/ekvivalens soros ellenállású kondenzátor, úgy ezek tetszőleges párhuzamos kombinációja is használható.

A végeredmény

3. ábra. Az 5 A-es áramtranziens hatására mért feszültségtranziens-válasz

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

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.

Az Agilent kapcsolódó honlapja

A forgalmazó MEDEXPERT Kft. honlapja