Problem mjerenja šuma napajanja osciloskopa u frekventnom domenu
U procesu analize buke napajanja, klasičnija metoda je da se pomoću osciloskopa posmatra talasni oblik šuma izvora napajanja i meri njegova amplituda, kako bi se utvrdio izvor buke napajanja. Međutim, kako napon digitalnih uređaja postepeno opada, a struja postepeno raste, dizajn napajanja postaje sve teži, a efikasnije metode testiranja moraju se koristiti za procjenu buke napajanja. Ovaj članak je slučaj korištenja metode frekvencijskog domena za analizu buke napajanja. Kada se greška ne može locirati posmatranjem talasnog oblika u vremenskom domenu, vremensko-frekvencijska konverzija se izvodi pomoću metode FFT (brza Fourierova transformacija), a talasni oblik buke napajanja vremenskog domena se konvertuje u frekvencijski domen radi analize. Prilikom otklanjanja grešaka u kolu, gledanje karakteristika signala iz perspektive vremenskog i frekventnog domena može efikasno ubrzati proces otklanjanja grešaka.
Tokom procesa otklanjanja grešaka na jednoj ploči, utvrđeno je da je šum napajanja mreže dostigao 80mv, što je premašilo zahtjeve uređaja. Kako bi se osiguralo da uređaj može stabilno raditi, potrebno je smanjiti buku napajanja.
Prije otklanjanja grešaka u ovoj grešci, pregledajte principe potiskivanja buke napajanja. Različiti frekventni opsezi u mreži za distribuciju električne energije koriste različite komponente za suzbijanje buke. Komponente za razdvajanje uključuju module za regulaciju snage (VRM), kondenzatore za razdvajanje, parove uzemljenja PCB-a, pakete uređaja i čipove. VRM uključuje čip za napajanje i periferni izlazni kapacitet, koji radi otprilike od DC do niske frekvencije (oko 100K). Njegov ekvivalentni model je dvokomponentni model koji se sastoji od otpornika i induktora. Najbolje je koristiti kondenzatore za razdvajanje s kondenzatorima više redova veličine kako bi se u potpunosti pokrio opseg srednje frekvencije (oko 10K do 100M). Zbog postojanja induktivnosti ožičenja i induktivnosti paketa, čak i ako je postavljen veliki broj kondenzatora za razdvajanje, biće teško funkcionirati na višim frekvencijama. Uzemljena ploča napajanja PCB-a formira pločasti kondenzator, koji takođe ima efekat razdvajanja, otprilike desetine megabajta. Pakovanje čipova i čipovi su odgovorni za visokofrekventne opsege (iznad 100M). Trenutni high-end uređaji općenito dodaju kondenzatore za razdvajanje u paket. U ovom trenutku, opseg razdvajanja na PCB-u može se smanjiti na desetine megabajta ili čak nekoliko megabajta. Stoga, kada trenutno opterećenje ostane nepromijenjeno, samo trebamo odrediti u kojem frekventnom opsegu se pojavljuje naponski šum, a zatim optimizirati komponente razdvajanja koje odgovaraju ovom frekvencijskom pojasu. Dva elementa za razdvajanje će sarađivati u susednim frekventnim opsezima, tako da se elementi za razdvajanje u susednim frekventnim opsezima takođe moraju uzeti u obzir kada se analiziraju kritične tačke elemenata za razdvajanje.
Na osnovu tradicionalnog iskustva u otklanjanju grešaka u opskrbi električnom energijom, neki kondenzatori za razdvajanje prvo su dodani u mrežu kako bi se povećala margina impedancije mreže napajanja kako bi se osiguralo da impedancija mreže napajanja u srednjem frekvencijskom opsegu može zadovoljiti potrebe aplikacije. scenario. Rezultat je samo nekoliko mV smanjenje talasa, minimalno poboljšanje. Postoji nekoliko mogućnosti za ovaj rezultat: 1. Šum je na niskoj frekvenciji i nije unutar opsega ovih kondenzatora za razdvajanje; 2. Dodavanje kapacitivnosti utiče na karakteristike petlje VRM regulatora snage, a smanjenje impedanse uzrokovano kapacitivnošću je povezano sa VRM. Pogoršanje je nadoknađeno. Imajući ovo pitanje na umu, razmotrili smo korištenje funkcije analize frekvencijskog domena osciloskopa kako bismo vidjeli spektralne karakteristike buke napajanja i locirali izvor problema.
Funkcija analize frekvencijskog domena osciloskopa se realizuje kroz Fourierovu transformaciju. Suština Fourierove transformacije je da se bilo koja sekvenca vremenskog domena može izraziti kao beskonačna superpozicija signala sinusnog talasa različitih frekvencija. Analiziramo informacije o frekvenciji, amplitudi i fazi ovih sinusnih valova, što je metoda analize koja prebacuje signal vremenske domene u frekvencijski domen. Sekvenca uzorkovana digitalnim osciloskopom je diskretna sekvenca, tako da se u našoj analizi najčešće koristi brza Fourierova transformacija (FFT). FFT algoritam je optimizovan iz algoritma diskretne Fourierove transformacije (DFT). Količina proračuna se smanjuje za nekoliko redova veličine, a što je više bodova potrebno izračunati, veća je ušteda u proračunima.
