Side 20

TEST&MÅLING/STRØMFORSYNING Måling af spændings-ripple og switch-noden i SMPS’er Når man skal evaluere en switch-mode strømforsyning (SMPS), er der flere nøgleparametre at tage hensyn til ved udførelse af en given måling. Præcision i målingerne er afgørende for at sikre, at designbeslutninger ikke sker på et fejlagtigt grundlag som følge af forkerte måledata. Valg af en ordentlig oscilloskopprobe er første skridt mod gode målinger Af Wesley Ballar, senior produkt- applikationsingeniør, og Jake Ciolfi, FAE, begge fra Analog Devices, Inc. Et oscilloskop er et effektivt værktøj i evalueringen af en SMPS. Det kan dog ikke under- streges nok, hvor vigtige de korrekte målemetoder er, hvis oscilloskopet skal opfange de korrekte data. Første skridt på vejen er at vælge den rigtige oscilloskopprobe til de målin- ger, der skal udføres. Passive prober er alsidige og gode til præcise signalmålin- ger, og de indeholder ingen drede volt. Den typiske bånd- bredde for 10×-prober når op på flere hundrede MHz. Key- sights N2873A 10×-probe tåler for eksempel op til 400VDC og har en båndbredde på 500MHz. Man skal huske at tjekke pro- bens spændings-derating i forhold til frekvensen. En spændings-derating-kurve vi- ser den maksimale spænding, en probe kan måle, ved en gi- ven frekvens. Med en øget fre- kvens kan probens maksimal- spænding falde. Kurven i figur 2 er et eksempel for N2873A. For at sikre nøjagtige målin- ger i kHz-området har mange 10×-prober en indbygget gang, den forbindes til et nyt oscilloskop for at kompensere for de små forskelle, der er i de analoge front-ends – selv ved skift mellem de forskellige kanaler på det samme oscillo- skop. For at kalibrere proben skal man forbinde den til oscil- loskopets indbyggede firkant- kurve-generator og justere probens kompensationsskrue, indtil det observerede spæn- dingssignal optræder firkantet uden (nogen) overshoot eller afrunding af flankerne (figur 4) . 10×-proberne er særdeles eg- nede til måling af switch-node spændingerne i SMPS’er, og de kan også bruges til måling af VIN, VOUT og højfrekvente Figur 1: (a) Keysight N2873A 10×-proben og det (b) forenklede ækvivalentdiagram. aktive kredsløb og kræver derfor ingen ekstern strøm- forsyning. Målinger med min- dre indgreb i hyperfølsomme kredsløb kræver normalt ak- tive prober, men de er mere komplekse og også meget dy- rere. Vi skal se på, hvordan man kan udføre oscilloskopmålin- ger med passive 10×-prober, med passive 1×-prober og med koaksialkabler samt kort diskutere, hvilke af de tre der egner sig bedst til aktuelle målinger. Oscilloskopprober: 10× 10×-prober er generelle stan- dardprober til typiske mo- derne oscilloskoper. De kaldes 10×, da de har et 10× dæmp- ningsforhold (attenuation) og derfor reducerer det målte signal med en faktor 10. Oscil- loskopets display justerer for denne dæmpning for at vise de korrekte spændingsmå- linger, men skal verificeres af brugeren, da oscillosko- per opfører sig forskelligt. 10×-proben har en stor intern impedans, som sammen med oscilloskopimpedansen divi- derer signalet med 10 (figur 1) . Den høje impedans reducerer belastningen på oscillosko- pet og tillader måling af høje spændinger på nogle hun- skrue til justering af kompen- sationen (figur 3) . Med den kan brugerne matche probens ka- pacitans med oscilloskopets kurveformer på signalniveau. 10×-proben anbefales til disse målinger på grund af probens evne til at slippe højere fre- Figur 2: Derating for en N2873A 10×-probes spænding vs. frekvens ifølge Keysights datablad. input-kapacitans, Ct/(Cin + Cp) = 1 MΩ/9MΩ. Efter juste- ring vil spændingsmålingerne have den rigtige frekvensre- spons, så hurtige kanter/edges på kurveformerne bliver målt korrekt uden forvrængning af overshoot eller undershoot. Proben skal kalibreres hver kvenser og spændinger igen- nem. Oscilloskopprober: 1× Den passive 1×-probe (figur 5) er også ganske udbredt. Den har en 1:1 attenuation og dæmper derfor ikke det målte spændingssignal. Disse Figur 3: Sådan kan man tune 10×-probens kompensation med en skruetrækker. prober har en meget lavere impedans end 10×-proberne og kræver ingen kalibrering, ligesom oscilloskopet ikke ju- sterer måleskalaen, hvorved det opsamlede billede har en finere opløsning, typisk ned til 1mV/div. 1×-prober har et spændings- område i tital af volt. Bånd- bredden for disse prober er småsignaler til test af input- og output-ripple, så længe frekvensen for disse ripples er holdt i de lave MHz-områder. Koaksialkabler 10×- og 1×-prober er forbun- det til oscilloskopet gennem koaksiale kabler med en cen- terleder til signalet og en yderskærm til returvejen, hvil- ket samtidigt fungerer som en effektiv dæmpning af elektrisk støj. Koaksialkablet kan i sig selv bruges som en spæn- dingsprobe forudsat, at termi- neringerne er rigtige som vist i figur 6 . Koaksialkabler har ty- pisk en 50Ω karakteristisk im- pedans, så oscilloskopet skal indstilles til 50Ω. Med sin 50Ω impedansindstil- ling kan oscilloskopet typisk maksimalt supportere spæn- dinger op til 5V. Det begræn- ser brugen af oscilloskopet, men selv om koaksialkabler derfor medfører måling af lave spændinger alene, så har de meget høje båndbredder. Et Pomona 2249-C-12 BNC-BNC- kabel har en båndbredde på 4GHz, hvilket er mere end, hvad mange oscilloskoppro- ber kan håndtere. For at anvende koaksialkab- ler til SMPS-målinger skal det print, man måler på, også væ- ret udstyret med en passende matchende konnektor. Man skal altså i forvejen designe sit print med en egnet konnek- tor – eller sikre sig nok plads til at kunne tilføje én. Der fin- des et utal af koaksialkabler med forskellige tværsnit og konnektortyper, der passer til demo-boards. Fortsættes på side 22 Figur 4: (a) Skarp firkant, (b) overdæmpet, (c) underdæmpet oscilloskop kalibreringsbilleder. også op til nogle tital af MHz. En Fluke PM9001 1×-probe har for eksempel en impedans mindre end 1kΩ, en maksimal målespænding på 30V samt en båndbredde på 15MHz. En 1×-probe kan anbefales til måling af lave spændinger og frekvenser. Ved måling på spændinger på SMPS’er er 1×-proben nyttig til test af Figur 5: (a) En 1×-probe, Flukes PM9001 og (b) det forenklede ækvivalentdiagram. 20 nr. 1 | januar 2025 RING TIL NØRDERNE NÅR DU VIL OPTIMERE/UDVIDE DIN PRODUKTION RING 76259090

Side 21

In your daily life you are dependent on a lot of products. You expect them to work – because they have to. All electronic products have a PCB inside. At first sight they may all look the same. But it could be a world of difference between a normal and a reliable PCB. At NCAB, we ensure that reliability is built into every PCB we provide. With a strong local presence in Denmark and a resilient supply chain, we’re your trusted partner for reliable PCBs. Reliable PCBs. Because failure is not an option.

    ...