Analisar ruído de energia com métodos de análise de campo de frequência osciloscópico

AlimentaçãoO ruído é um tipo de interferência eletromagnética, o espectro de ruído condutor é aproximadamente de 10kHz a 30MHz, até 150MHz. Ruído de energiaO som, especialmente a interferência de ruído transitório, tem uma velocidade de aumento rápida, curta duração, alta amplitude de tensão e alta aleatoriedade, causando sérias interferências nos microcomputadores e circuitos digitais.

Aplicações de análise de campo de frequência de osciloscópio na depuração de energia

Este artigo fala disso.Muitos anosVamos lá.Eletricidade de interesseMedição do ruído da fonteperguntarPerguntas, com resumo da experiência prática, com evidências de casos experimentais, com combinação de análise de simulação- É.
Durante a análise do ruído de energia, o método mais clássico é usar um osciloscópio para observar a forma de onda do ruído de energia e medir seu valor de amplitude para julgar a fonte do ruído de energia. No entanto, à medida que a tensão dos dispositivos digitais diminui gradualmente e a corrente aumenta gradualmente, a dificuldade de projetar a fonte de energia aumenta e os métodos de teste mais eficientes são necessários para avaliar o ruído da fonte de energia. Este artigo é usadoUm caso de análise de ruído de energia do método de domínio de frequência, quando a forma de onda do domínio do tempo não é capaz de localizar a falha, é realizado a conversão de frequência do tempo através do método FFT (Transformação de Fourier Rápida) para converter a forma de onda de ruído de energia do domínio do tempo para o domínio de frequência para análise. Ao depurar o circuito, ver as características do sinal de ambos os ângulos do domínio do tempo e do domínio da frequência pode acelerar o processo de depuração de forma eficaz.

Durante o processo de depuração de placa única, o ruído de alimentação de uma rede atingiu 80mv, excedendo os requisitos do dispositivo, a fim de garantir que o dispositivo possa trabalhar de forma estável, esse ruído de alimentação deve ser reduzido.
Revise o princípio da supressão de ruído de energia antes de depurar a falha. Como mostrado no gráfico abaixo, diferentes bandas de frequência na rede de distribuição de energia são suprimidas pelo ruído por diferentes componentes, incluindo módulos de ajuste de energia (VRM), capacitores de desacoplamento, placas de alimentação de PCB, embalagens de dispositivos e chips. O VRM contém um chip de alimentação e um capacitor de saída periférico que atua aproximadamente na faixa de baixa frequência DC (cerca de 100K), cujo modelo equivalente é um modelo binário composto por uma resistência e uma indução. O capacitor de desacoplamento deve ser usado em conjunto com o capacitor de vários valores quantitativos, cobrindo completamente a faixa de frequência média (número de 10K a cerca de 100M). Devido à presença de indução de cablagem e indução de encapsulamento, capacitores de desacoplamento empilhados em grandes quantidades instantâneas também são difíceis de funcionar em frequências mais altas. O horizonte de alimentação do PCB forma um capacitor de placa plana, que também tem um efeito de desacoplamento, com um efeito de cerca de dezenas de trilhões. O encapsulamento do chip e o chip são responsáveis ​​pela banda de alta frequência (acima de 100M), e os dispositivos atuais geralmente aumentam o capacitor de desacoplamento no encapsulamento, quando a faixa de desacoplamento no PCB pode ser reduzida para dezenas ou até alguns megabytes. Portanto, em caso de carga de corrente constante, basta determinar em que faixa de frequência aparece o ruído de tensão, então é possível otimizar o componente de desacoplamento correspondente a essa faixa de frequência. Na banda de frequência vizinha de dois elementos de desacoplamento, os dois elementos de desacoplamento trabalham em conjunto, por isso, os elementos de desacoplamento da banda de frequência vizinha também devem ser considerados ao mesmo tempo na análise do ponto crítico do elemento de desacoplamento.

De acordo com a experiência de depuração de energia tradicional, primeiro foi adicionado algum capacitor de desacoplamento nesta rede, aumentando o margem de impedância da rede de energia, garantindo que a impedância da rede de energia na faixa média de frequência pode atender às necessidades deste cenário de aplicação. As ondas resultantes reduziram apenas alguns mV, com melhorias insignificantes. Existem várias possibilidades para produzir este resultado: 1, o ruído está em baixa frequência e não está dentro da faixa em que esses capacitores de desacoplamento atuam; O aumento do capacitor afeta as características do circuito do regulador de energia VRM, a redução da impedância causada pelo capacitor é compensada pela deterioração do VRM. Com essa dúvida, consideramos usar a capacidade de análise de domínio de frequência do osciloscópio para ver as características espectrais do ruído de alimentação e localizar a raiz do problema.

A função de análise de domínio de frequência do osciloscópio é realizada por meio da transformação de Fourier, a essência da qual é que qualquer sequência de domínio de tempo pode ser representada como uma sobreposição infinita de sinais de onda sinusoidal de diferentes frequências. Analisamos a frequência, amplitude e fase dessas ondas sinusoidais como um método analítico para mudar os sinais do domínio temporal para o domínio de frequência. A sequência de amostragem do osciloscópio digital é discreta, por isso usamos a Transformação de Fourier Rápida (FFT) na análise. O algoritmo FFT é otimizado para o algoritmo de Transformação de Fourier Discreta (DFT), que reduz o volume de operações em várias ordens de quantidade e quanto mais pontos forem necessários, maior será a economia de volume.
As formas de onda de ruído capturadas pelo osciloscópio são transformadas em FFT, com vários pontos chave a serem observados.
De acordo com a lei de amostragem de resistência, a largura do espectro (Span) após a transformação corresponde a 1/2 da taxa de amostragem do sinal original, se a taxa de amostragem do sinal original for de 1GS / s, a largura do espectro após o FFT é de 500 MHz;
A largura de banda de resolução RBW após a transformação corresponde ao inverso do tempo de amostragem, se o tempo de amostragem for de 10mS, a resolução de frequência correspondente é de 100Hz;
3, vazamento espectral, ou seja, interferência entre as linhas espectrais no espectro do sinal, linhas espectrais de baixa energia são facilmente inundadas pelo vazamento de linhas espectrais de alta energia próximas. Evitar vazamentos de espectro permite sincronizar a velocidade de captação com a frequência do sinal, prolongando o tempo de captação do sinal e usando a função de janela adequada.
AlimentaçãoA medição do ruído não requer taxas de amostragem mais altas, por isso é possível definir uma base de tempo muito longa, o que também significa que o tempo do sinal coletado pode ser longo o suficiente para ser considerado como cobrindo todo o período de tempo do sinal eficaz, sem a necessidade de adicionar uma função de janela neste momento. Ajustando as configurações acima, você pode obter uma curva de transformação de FFT mais precisa e ver os pontos de frequência de interesse através da função de zoom. A energia principal do ruído da fonte de energia no gráfico abaixo é concentrada em torno de 11,3 KHz e resona com essa frequência como a frequência de onda base. De acordo com isso, pode-se deduzir que a impedância da rede PDN em 11,3 KHz não pode atender aos requisitos, a impedância do capacitor neste ponto de frequência também é relativamente alta, não pode desempenhar o papel de redução da impedância, por isso, o aumento do capacitor na frente não pode reduzir o ruído da fonte de energia.
Em geral, 11,3 KHz deve ser a jurisdição do VRM, e o ruído maior aqui indica que o projeto do circuito VRM não pode atender aos requisitos. Aqui, o desempenho do VRM é analisado, há muitos métodos de análise do VRM, principalmente usando os meios de simular seu circuito de feedback. Portograma observa principalmente várias informações-chave: 1, atravessar a frequência, a curva de ganho atravessa o ponto de frequência da linha 0dB; Margem de fase, o valor de fase correspondente à curva de fase na frequência de atravesso; Margem de ganho, o valor de ganho correspondente à fase em -360 °. Aqui nos concentramos principalmente em dois indicadores, a frequência de cruzamento e a margem de fase. Como pode ser visto no mapa de circuito do VRM (Figura a abaixo), a frequência de atravesso do VRM é de cerca de 8KHz, com uma margem de fase de 37 graus. Existem dois problemas aqui: primeiro, a margem de fase do VRM geralmente precisa ser maior que 45 graus para garantir o trabalho estável do circuito, e aqui a margem de fase é um pouco menor e precisa aumentar a margem de fase; Em segundo lugar, a frequência de atravesso é muito baixa, o efeito de ajuste do VRM perto da frequência de atravesso diminui gradualmente, e o capacitor em massa deste ponto de frequência ainda não funciona, então haverá uma impedância mais alta perto de 8KHz, o efeito de supressão de ruído deste ponto de frequência é inferior. A Figura (b) abaixo é um gráfico de Porter após a otimização do circuito VRM, ajustando a margem de fase para 50 graus e empurrando a frequência de atravesso para cerca de 46KHz.

Para a validação otimizada da onda de corrugação VRM, a onda de corrugação pode ser claramente reduzida para 33mv, capaz de atender aos requisitos do dispositivo.

O caso acima é o processo de localização rápida de problemas de energia usando a função FFT do osciloscópio, a partir deste exemplo pode ser visto que a função de análise de campo de frequência do osciloscópio pode desempenhar um grande papel na depuração do circuito. A função FFT do osciloscópio, combinada com a longa profundidade de armazenamento, facilita a análise de sinais de ciclo longo de baixa frequência, uma vantagem que se destaca na depuração de circuitos digitais.