Power-Rail: Die Gleichstromversorgung in Embedded-Systemen messen

| Autor / Redakteur: Lee Morgan * / Hendrik Härter

Stromversorgung: Sind auf einer Platine mehrere Komponenten verbaut, dann müssen die Gleichströme exakt gemessen werden.
Stromversorgung: Sind auf einer Platine mehrere Komponenten verbaut, dann müssen die Gleichströme exakt gemessen werden. (Bild: © Shuo - stock.adobe.com)

Integrierte Systeme (Embedded-Systeme) auf Chips sowie FPGAs und Prozessoren: Sind mehrere Komponenten verbaut, dann sind mehrere Versorgungsspannungen notwendig. Gefragt sind spezielle hochohmige Tastköpfe.

Viele elektronische Komponenten benötigen mehrere Versorgungsspannungen, damit sie fehlerfrei funktionieren. Das trifft insbesondere auf integrierte Systeme wie Mikrocontroller, FPGAs und Prozessoren zu. Darüber hinaus sind die Spannungspegel mit der Zeit gesunken, was die Rauschtoleranzen auf sogenannten Power-Rails reduziert. Hinzu kommen weitere Faktoren, die das Rauschen auf den Leitungen erhöhen:

  • Leistungseffizienzfunktionen: Power Gating und dynamische Spannungs- und Frequenzskalierung sowie DVFS.
  • Dynamische Lasten mit schnellen Transienten.
  • Größeres Übersprechen und größere Kopplung.
  • Schaltregler mit schnelleren Anstiegszeiten.

Um das Rauschen genau zu ermitteln, muss der Messtechniker sehr aufmerksam messen. Dabei helfen speziell entwickelte Power-Rail-Probes.

Detaillierter Blick auf die Power-Rail und ihre Eigenschaften

Der Entwickler sollte unbedingt einen genauen Blick auf jede DC-Leitung haben. Nur so lässt sich feststellen, ob die gelieferte Spannung innerhalb der Toleranz liegt. Dazu gehören der DC-Wert auf der Leitung sowie das Wechselstromrauschen. Das Wechselstromrauschen in einem Versorgungsspannungssignal kann weiter in Breitbandrauschen, periodische Ereignisse und transiente Ereignisse unterteilt werden (Bild 1).

Bevor man diese Arten des Rauschens minimieren kann, müssen diese erkannt und exakt gemessen werden. Bei der Messung von Stromschienen gibt es mehrere messtechnische Herausforderungen:

  • Anforderungen an die Bandbreite.
  • Verwaltung von Mess-Systemrauschen und Probe-Rauschen.
  • Optimierung des Dynamikbereichs Ihres Mess-Systems.
  • Belastung des Stromkreises durch die Probe (Probe-Loading).

Betrachtet man einige Designs von Stromversorgungen, mag es den Anschein haben, dass die Bandbreiten der verwendeten Mess-Systeme von einigen zehn Megahertz ausreichen. Die meisten Designs schalten in Hunderten von kHz bis zu einigen MHz. Größere Konstruktionen und Geräte, die mit höheren Versorgungsspannungen betrieben wurden, waren weniger störanfällig. Daher war Rauschen über 20 MHz selten ein Problem. Aus den anfangs genannten Gründen sind aktuelle Designs sehr empfindlich gegenüber höheren Frequenzen und sind außerdem höherfrequenten Rauschquellen ausgesetzt (Bild 2).

Ursachen für Rauschen und Oberwellen

Auch das Design der Stromversorgung hat sich geändert. Während die grundlegenden Schaltfrequenzen von Leistungswandlern noch relativ langsam sind, sind die Anstiegszeiten dank schnellerer Schalttechnologien stark gestiegen. Schnelles Schalten der Stromversorgung, Kreuzkopplungen, gleichzeitiges Schalten auf Chips und andere Störfaktoren können im Stromverteilungsnetz Rauschen und Oberwellen bei viel höheren Frequenzen erzeugen. Der Messtechnik-Anbieter Tektronix bietet für solche Messaufgaben Probes mit Frequenzen von 1 und 4 GHz an, die speziell für Power-Rail-Messungen entwickelt wurden.

Um das Rauschen der Power-Rail genau zu messen, muss das Mess-System minimale Rauschbeiträge einbringen. Je weniger Rauschen durch das Messgerät hinzugefügt wird, desto besser ist die Signalintegrität des zu untersuchenden Prüflings. Untersucht man eine Baseline-Rauschmessung sowohl des Geräts als auch der angeschlossenen Probes, so bekommt man schnell eine Vorstellung von der Gesamtrauschleistung des Systems.

Das additive Rauschen messen und einschätzen

Bilid 3: Kanal 1 (gelbe Kurve) zeigt einen Oszilloskop-Eignang ohne Signal. Kanal2 (blaue Kurve) ist eine TPR1000 Power Rail Probe mit kurzgeschlossenem Eingang. Bei einer Bandbreite von 1 GHz bringt die Probe nur 17 µV zusätzliches Rauschen ein.
Bilid 3: Kanal 1 (gelbe Kurve) zeigt einen Oszilloskop-Eignang ohne Signal. Kanal2 (blaue Kurve) ist eine TPR1000 Power Rail Probe mit kurzgeschlossenem Eingang. Bei einer Bandbreite von 1 GHz bringt die Probe nur 17 µV zusätzliches Rauschen ein. (Bild: Tektronix)

Bild 4: Kanal 2 (blaue Kurve) zeigt das mit 157,1 mV Spitze-Spitze verrauschte Signal, gemessen mit einer 10x Passiv-Probe. Zum Vergleich ist auf Kanal 1 (gelbe Kurve) die TPR1000 dargestellt, die mit einem Spitze-Spitze-Wert von 38,7 mV eine bessere Performance zeigt.
Bild 4: Kanal 2 (blaue Kurve) zeigt das mit 157,1 mV Spitze-Spitze verrauschte Signal, gemessen mit einer 10x Passiv-Probe. Zum Vergleich ist auf Kanal 1 (gelbe Kurve) die TPR1000 dargestellt, die mit einem Spitze-Spitze-Wert von 38,7 mV eine bessere Performance zeigt. (Bild: Tektronix)

Einfache Messungen wie Spitze-Spitze und Effektivwert der an den Eingängen anliegenden Spannung (ohne Anlegen eines Signals), sind für den Messtechniker eine schnelle und einfache Möglichkeit, das additive Rauschen des Mess-Systems zu erkennen und einzuschätzen (Bild 3). Probes mit einer großen Dämpfung bieten zwar einen großen Dynamikbereich, bringen aber zusätzliches Rauschen in das Mess-System ein. Auch da zur Kompensation der Dämpfung eine Verstärkung im Oszilloskop notwendig ist (Bild 4). Der Grund hierfür ist, dass das Signal durch den Dämpfungsfaktor dividiert wird, wodurch es näher an den Rauschpegel des Mess-Systems herangeführt wird.

Berechnet wird das mit dem sogenannten Signal-Rausch-Abstand oder kurz SNR nach Formel 1.

Formel 1
Formel 1 (Bild: Tektronix)

Der Grund dafür ist, dass das Signal durch den Dämpfungsfaktor dividiert wird, wodurch es näher an den Rauschpegel des Mess-Systems herangeführt wird. Das lässt sich durch die Berechnung des Signal-Rausch-Abstandes (SNR) in Formel 2 darstellen.

Formel 2
Formel 2 (Bild: Tektronix)

Ein Messkopf mit einer geringen Dämpfung wie die Power-Rail-Probe mit 1,25x hat hingegen einen Signal-Rausch-Abstand wie in Formel 3.

Formel 3
Formel 3 (Bild: Tektronix)

Das Oszilloskop möglichst empfindlich einstellen

Bild 5: Der Effekt der vertikalen Skalierung auf das gemessene Rauschen. Beide Kanäle haben nichts am Eingang angeschlossen. Kanal 3 bei 1 mV/div hat 521,2 µv Spitze-Spitze-Rauschen gegenüber Kanal 4 bei 100 mV/div mit 8,953 mv. Das ist ca. 17 mal mehr Rauschen auf Kanal 4. Für Kanal 4 ist der Wert 8,953 mV <1% der Full-scale-Spannung.
Bild 5: Der Effekt der vertikalen Skalierung auf das gemessene Rauschen. Beide Kanäle haben nichts am Eingang angeschlossen. Kanal 3 bei 1 mV/div hat 521,2 µv Spitze-Spitze-Rauschen gegenüber Kanal 4 bei 100 mV/div mit 8,953 mv. Das ist ca. 17 mal mehr Rauschen auf Kanal 4. Für Kanal 4 ist der Wert 8,953 mV <1% der Full-scale-Spannung. (Bild: Tektronix)

Bild 6: TPR4SIAFLEX Solder-in-Adapter parallel zu einem 0402-Entkopplungs-Kondensator.
Bild 6: TPR4SIAFLEX Solder-in-Adapter parallel zu einem 0402-Entkopplungs-Kondensator. (Bild: Tektronix)

Das Rauschverhalten eines Oszilloskops lässt sich über die vertikale Empfindlichkeit skalieren. Einstellungen mit höherer vertikaler Empfindlichkeit liefern ein geringeres Rauschen als mit einer geringeren Empfindlichkeit. Ein maximiertes angezeigtes Signal auf dem Bildschirm bietet eine höhere Auflösung und eine genauere Darstellung des Signals. Geringere vertikale Empfindlichkeiten können dazu führen, dass Signale oft den Anschein erwecken, mehr Spitzenrauschen zu haben, als sie es tatsächlich tun (Bild 5).

Funktionen wie High Res auf einem Mixed-Signal-Oszilloskop der Serien 4, 5 und 6 von Tektronix ermöglichen es, das Rauschen weiter zu reduzieren. Dazu wird eine eine höhere Abtastrate verwendet, um so Samples mit höherer Auflösung zu erzeugen. Diese Funktion nutzt die Sample-Mittelwertbildung und wendet spezielle Hardware- und FIR-Filter, die auf der aktuellen Abtastrate basieren. Mit dem Filter lässt sich die maximale Bandbreite für eine gegebene Abtastrate nutzen und möglicherweise auftretende Alias-Effekte werden herausgefiltert.

Wie sich die beste Messverbindung aufbauen lässt

Die Verbindung zum Prüfling ist einer der größten Einflussfaktoren auf die Messung in Bezug auf die Qualität. Bietet eine Verbindung Pfade mit geringer Induktivität zur Masse und eine minimale effektive Kapazität, wird das Rauschen gesenkt und die größtmögliche Bandbreite geboten. Die besten Verbindungen werden durch Einlötadapter und High-Performance-Steckverbinder hergestellt. Mikrokoax- und Flex-Einlötadapter bieten eine Semi-Permanente-Verbindung zu den Prüflingen, wenn wiederholte Tests an einem ungeplanten Prüfpunkt erfolgen. HF-Steckverbinder mit kleinem Formfaktor wie MMCX- und SMA-Steckverbinder erlauben einen wiederholbaren und zuverlässigen Zugriff auf Signale, müssen jedoch beim Design mit eingeplant werden.

Für eine schnellere und komfortablere Verbindung können Browser und Adapter verwendet werden. Tektronix bietet einen speziellen Browser für Power-Rails an, der eine Bandbreite von 1 GHz bereitstellt. Zu beachten ist, dass Zubehör die Bandbreite des Systems verringert. So haben Flying-Lead-Square-Pin-Adapter in der Regel nicht mehr als ein paar hundert MHz effektive Bandbreite. Die Bandbreite wird weiter reduziert, je mehr Clips und andere Verbindungshilfen verwendet werden.

Mess-System mit ausreichend Offset ausstatten

Bild 7: Lastwechsel können zu niederfrequenten Stromausfällen auf Power-Rails führen. Die AC-Kopplung verdeckt diese niederfrequenten Veränderungen.
Bild 7: Lastwechsel können zu niederfrequenten Stromausfällen auf Power-Rails führen. Die AC-Kopplung verdeckt diese niederfrequenten Veränderungen. (Bild: Tektronix)

Bild 8: Beispiel für eine Vorrichtung, welche die Eingangsspannung anpasst, wenn die Frequenz erhöht wird. Die Frequenzkomponente mit rund 2 Hz zwischen den Schritten wird bei vielen AC-Koppelfiltern wegfallen.
Bild 8: Beispiel für eine Vorrichtung, welche die Eingangsspannung anpasst, wenn die Frequenz erhöht wird. Die Frequenzkomponente mit rund 2 Hz zwischen den Schritten wird bei vielen AC-Koppelfiltern wegfallen. (Bild: Tektronix)

Niedrige Empfindlichkeiten (hohe V/Div-Einstellungen) liefern schlechte Messergebnisse, da das Oszilloskop weniger von seinem Dynamikbereich für die Messungen verwendet. Für eine hohe Empfindlichkeit muss die DC-Komponente der Power-Rail-Spannung entfernt werden. Der DC-Offset lässt sich mit einer AC-Kopplung am Oszilloskop entfernen. Allerdings verdeckt der DC-Offset mögliche niederfrequente Ereignisse: Spannungseinbrüche (Bild 7) von Laständerungen und dynamische Frequenz- und Spannungsskalierungen (Bild 8).

Ein DC-Offset auf das Eingangssignal und eine DC-Kopplung am Oszilloskop bieten ein vollständigeres Bild des Geräteverhaltens. Oszilloskope und differenzielle Tastköpfe unterstützen oft ein gewisses DC-Offset. Das Front-End einiger Oszilloskope begrenzt allerdings das verfügbare Offset zusammen mit der gewählten vertikalen Empfindlichkeit. Bei niedrigeren V/Div-Einstellungen hat das Instrument weniger Offset. Mit den Power-Rail-Probes wird das Mess-System mit ausreichend Offset ausgestattet, um die DC-Kopplung auf den meisten Power-Rails zu unterstützen. Die Probes TPR4000 und TPR1000 bieten einen DC-Offset von ±60 V, der die gängigsten Standards in Automobil-, Industrie- und Rechenzentrumsanwendungen abdeckt.

Hochohmige Tastköpfe bei Gleichstrom

Will man messtechnisch Power-Rails erfassen, muss der gewählte Ansatz den hochfrequenten AC-Anteil auf der DC-Versorgung anzeigen können, ohne den DC-Anteil des Signals zu stark zu belasten, damit dieser nicht ungenau ist oder den Gerätebetrieb stört. Hochohmige Tastköpfe bieten eine geringe Belastung bei Gleichstrom, führen allerdings zu erheblichen Störungen und haben möglicherweise nicht ausreichend Bandbreite, um wichtige hochfrequente Signalinhalte mit dem Oszilloskop zu erfassen.

Der 50-Ohm-Signalpfad auf einem Oszilloskop bietet den niedrigsten Rauschbeitrag, aber 50 Ohm würde die Power-Rail bei einem Gleichstrom erheblich mehr belasten. Eine optimale Probe zum Messen von Power-Rails weist einen hohen Widerstand bei Gleichstrom und eine 50-Ohm-Übertragungsleitung bei Wechselstrom auf.

* Lee Morgan ist Technical Marketing Manager bei Tektronix und auf Embedded, Power und Automotive spezialisiert.

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