Análisis inteligente del ruido de la fuente de alimentación con el método de análisis del dominio de frecuencia del osciloscopio

Fuente de alimentaciónEl ruido es una especie de interferencia electromagnética, cuyo espectro de ruido transmitido es de aproximadamente 10 kHz a 30 mhz, y el alto puede alcanzar los 150 mhz. Ruido de la fuente de alimentaciónEl sonido, especialmente la interferencia acústica instantánea, tiene una velocidad de ascenso rápida, una duración corta, una alta amplitud de vibración de voltaje y una fuerte aleatoriedad, lo que puede causar fácilmente interferencias graves en microcomputadoras y circuitos digitales.

Aplicación del análisis de dominio de frecuencia del osciloscopio en la puesta en marcha de la fuente de alimentación

Este artículo habla de esto.añosVenLa electricidad que atrae la atenciónMedición del ruido de la fuentePreguntaPreguntas, hay un resumen de la experiencia práctica, hay casos medidos que lo corroboran, y hay una combinación de análisis de simulación..
En el proceso de análisis del ruido de la fuente de alimentación, el método más clásico es utilizar un osciloscopio para observar la forma de onda del ruido de la fuente de alimentación y medir su amplitud, juzgando así la fuente del ruido de la fuente de alimentación. Sin embargo, a medida que el voltaje de los dispositivos digitales disminuye gradualmente y la corriente aumenta gradualmente, el diseño de la fuente de alimentación aumenta la dificultad, lo que requiere el uso de métodos de prueba más efectivos para evaluar el ruido de la fuente de alimentación. Este artículo se utilizaEl método de dominio de frecuencia analiza un caso de ruido de la fuente de alimentación. cuando se observa que la forma de onda del dominio del tiempo no puede localizar la falla, la conversión de frecuencia de tiempo se realiza a través del método FFT (transformación rápida de fft), y la forma de onda del ruido de la fuente de alimentación del dominio del tiempo se convierte en el dominio de frecuencia para el análisis. Al depurar el circuito, las características de la señal se pueden ver desde los puntos de vista del dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia, lo que puede acelerar efectivamente el proceso de depuración.

Durante la puesta en marcha de la placa única, se encontró que el ruido de alimentación de una red alcanzó los 80 mv, lo que ha superado los requisitos del dispositivo. para garantizar que el dispositivo pueda funcionar de manera estable, el ruido de alimentación debe reducirse.
Revise el principio de supresión del ruido de la fuente de alimentación antes de depurar la falla. Como se muestra en la siguiente imagen, las diferentes bandas de frecuencia en la red de distribución de energía son suprimidas por diferentes componentes, que incluyen el módulo de ajuste de energía (vrm), el capacitor de desacoplamiento, el plano de alimentación de pcb, el encapsulamiento del dispositivo y el chip. El VRM contiene un chip de fuente de alimentación y un capacitor de salida periférico, que actúa aproximadamente en la banda de baja frecuencia DC a (unos 100 k), y su modelo equivalente es un modelo de dos componentes compuesto por una resistencia y una inducción. Los condensadores de desacoplamiento deben utilizarse relativamente con condensadores de varios órdenes de magnitud, cubriendo completamente el segmento de frecuencia intermedia (unos 10 k a 100 m). Debido a la existencia de inductores de cableado e inductores de encapsulamiento, es difícil que un gran número de condensadores de desacoplamiento apilados instantáneamente jueguen un papel en una frecuencia más alta. El plano de alimentación del PCB forma un capacitor plano frente al plano, que también tiene un efecto de desacoplamiento, que actúa en unos decenas de megabytes. El encapsulamiento del CHIP y el chip son responsables de la Sección de alta frecuencia (más de 100m). los dispositivos actuales generalmente agregan condensadores de desacoplamiento al encapsulamiento. en este momento, el rango de desacoplamiento en el PCB se puede reducir a decenas o incluso varios megabytes. Por lo tanto, cuando la carga actual no cambia, siempre y cuando juzguemos en qué banda aparece el ruido de voltaje, podemos optimizar los elementos de desacoplamiento correspondientes a esta banda de frecuencia. Los dos elementos de desacoplamiento cooperarán en la banda de frecuencia adyacente de los dos elementos de desacoplamiento, por lo que los elementos de desacoplamiento de la banda de frecuencia adyacente también deben tenerse en cuenta al analizar el punto crítico de los elementos de desacoplamiento.

De acuerdo con la experiencia tradicional de puesta en marcha de energía, en primer lugar, se agregan algunos condensadores de desacoplamiento a la red para aumentar el margen de resistencia de la red de energía, asegurando que la resistencia de la red de energía en la banda media puede satisfacer las necesidades del escenario de aplicación. Como resultado, la onda se redujo en solo unos pocos mv, y la mejora fue mínima. Hay varias posibilidades para producir este resultado: 1. el ruido está en baja frecuencia y no está dentro del alcance de estos condensadores de desacoplamiento; 2. el aumento de la capacidad afecta las características del Circuito del regulador de Potencia vrm, y la disminución de la resistencia causada por la capacidad se compensa con el deterioro de vrm. Con esta pregunta, consideramos usar la función de análisis de frecuencia del alcance para ver las características espectrales del ruido de la fuente de alimentación y localizar la causa raíz del problema.

La función de análisis de dominio de frecuencia del osciloscopio se realiza a través de la transformación de fft, cuya esencia es que cualquier secuencia de dominio de tiempo se puede expresar como una superposición infinita de señales de onda sinusoidal de diferentes frecuencias. Analizamos la información de frecuencia, amplitud y fase de estas ondas sinusoidales, es decir, el método de análisis para cambiar la señal de dominio de tiempo al dominio de frecuencia. La secuencia muestreada por el osciloscopio digital es una secuencia discreta, por lo que lo que usamos comúnmente en el análisis es la transformación rápida de fft. El algoritmo FFT se optimiza para el algoritmo de transformación discreta de FFT (dft), que reduce la cantidad de cálculo en varios órdenes de magnitud, y cuanto más puntos se necesitan para calcular, mayor es el ahorro de la cantidad de cálculo.
La forma de onda de ruido capturada por el osciloscopio se transforma en fft, y hay varios puntos clave a los que hay que prestar atención.
1. de acuerdo con la Ley de muestreo de nyquist, el ensanchamiento del espectro transformado (span) corresponde a 1 / 2 de la tasa de muestreo de la señal original. si la tasa de muestreo de la señal original es 1gs / s, el ensanchamiento del espectro después de FFT es en su mayoría de 500 mhz;
2. la resolución de frecuencia transformada (rbw Solution bandwidth) corresponde a la cuenta atrás del tiempo de muestreo, si el tiempo de muestreo es de 10 ms, la resolución de frecuencia correspondiente es de 100 hz;
3. fugas espectrales, es decir, las líneas espectrales en el espectro de la señal interfieren entre sí, y las líneas espectrales de menor energía son fácilmente inundadas por fugas de líneas espectrales cercanas de alta energía. Para evitar fugas espectrales, se puede tratar de sincronizar la velocidad de adquisición con la frecuencia de la señal, prolongar el tiempo de adquisición de la señal y utilizar la función de ventana adecuada.
Fuente de alimentaciónLa medición del ruido no requiere una alta tasa de muestreo, por lo que se puede establecer una base de tiempo muy larga, lo que también significa que el tiempo de la señal recopilada puede ser lo suficientemente largo como para considerar que cubre todo el período de tiempo de la señal válida, en este momento no es necesario agregar una función de ventana. Ajustando la configuración anterior, se puede obtener una curva de transformación FFT más precisa, y luego ver los puntos de frecuencia de interés a través de la función zoom. Como se muestra en la siguiente imagen, la energía principal del ruido de la fuente de alimentación se concentra en unos 11,3 khz, y esta frecuencia se toma como resonancia de frecuencia fundamental. De acuerdo con esto, se puede deducir que la resistencia de esta red pdn a 11,3 kHz no puede cumplir con los requisitos, y la resistencia del capacitor en este punto de frecuencia es relativamente alta, lo que no puede desempeñar un papel en la reducción de la resistencia, por lo que aumentar el capacitor antes no puede reducir el ruido de la fuente de alimentación.
En términos generales, 11,3 kHz debería ser la jurisdicción de vrm, y el mayor ruido aquí indica que el diseño del Circuito de VRM no puede cumplir con los requisitos. Aquí se analiza el rendimiento de vrm, hay muchos métodos de análisis de vrm, aquí se utiliza principalmente el método de simulación de su circuito de retroalimentación Porter map. El mapa de Porto observa principalmente varias informaciones clave: 1. frecuencia de cruce, curva de ganancia que cruza el punto de frecuencia de la línea 0db; 2. margen de fase, el valor de fase correspondiente a la curva de fase en el lugar de la frecuencia de cruce; 3. margen de ganancia, el valor de ganancia correspondiente a la fase a - 360 °. Aquí nos centramos principalmente en los dos indicadores de frecuencia de cruce y margen de fase. Como se puede ver en el mapa de porte de bucle de VRM (figura a a continuación), la frecuencia de cruce de VRM es de unos 8 khz, con un margen de fase de 37 grados. Hay dos problemas aquí: primero, el margen de fase de VRM generalmente necesita más de 45 grados para garantizar el funcionamiento estable del circuito, donde el margen de fase es ligeramente menor, es necesario aumentar el margen de fase; En segundo lugar, la frecuencia de cruce es demasiado baja, y el efecto de ajuste de VRM cerca de la frecuencia de cruce disminuye gradualmente, y el capacitor de Bulk de este punto de frecuencia todavía no funciona, por lo que habrá una alta resistencia cerca de 8khz, y el efecto de supresión de ruido de este punto de frecuencia es pobre. La siguiente imagen (b) es un mapa de porte después de optimizar el circuito vrm, ajustando el margen de fase a 50 grados y empujando la frecuencia de cruce a unos 46 khz.

Para la onda de verificación VRM optimizada, se puede ver que la onda se reduce significativamente a 33 mv, lo que puede cumplir con los requisitos del dispositivo.

El caso anterior es el proceso de localizar rápidamente el problema de la fuente de alimentación utilizando la función FFT del monitor. a partir de este ejemplo, se puede ver que la función de análisis de frecuencia del monitor puede desempeñar un papel importante en la puesta en marcha del circuito. La función FFT del osciloscopio con una profundidad de almacenamiento larga puede analizar fácilmente las señales de baja frecuencia y largo período, una ventaja que es más prominente en la puesta en marcha de circuitos digitales.