Messung und Analyse von integrierten Spannungsversorgungen

7. August 2019, 00:00 Uhr
Von Thomas Rottach, SIGLENT Technologies Germany GmbH
Betrachtet man heute die Elektronik-Welt, so findet man nur eine Handvoll Themen, welche die Schlagzeilen beherrschen. Hier wären die Bereiche Digitalisierung, künstliche Intelligenz, Elektrifizierung des Transports, autonomes Fahren, erneuerbare Energien und die nächste Generation des Mobilfunks (5G). Mit ein wenig Abstand betrachtet sind alle mehr oder weniger stark miteinander verbunden.
Zum Beispiel ist Autonomes Fahren an die Themen Digitalisierung, künstliche Intelligenz und 5G gebunden. Elektrifizierung des Transports ist kaum ohne den Betrachtet man heute die Elektronik-Welt, so findet man nur eine Handvoll Themen, welche die Schlagzeilen beherrschen. Hier wären die Bereiche Digitalisierung, künstliche Intelligenz, Elektrifizierung des Transports, autonomes Fahren, erneuerbare Energien und die nächste Generation des Mobilfunks (5G). Mit ein wenig Abstand betrachtet sind alle mehr oder weniger stark miteinander verbunden.
konsequenten Ausbau der erneuerbaren Energien und „Smart Cities“ vorstellbar. Alle aufgezählten Themen zusammen haben einem Teilbereich der Elektronik eine nie dagewesene Popularität verliehen: der Leistungselektronik bzw. der Entwicklung von Spannungsversorgungen. Effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie ist entscheidend für den Erfolg der Technologien. Batterielebensdauer, Reichweite und Reduzierung des Aufwands für Kühlung sind hier die Stichworte.

Leistungselektronik

Was heißt das für die Entwicklung von Leistungselektronik? Zu allererst muss das Design stabil sein. Jede Art von Oszillation stellt einen Energieverlust dar und verschlechtert obendrein auch noch das EMV-Verhalten. Die klassische Bestimmung der Stabilität von rückgekoppelten Regelschleifen ist die Messung der Phasen- und Amplitudenreserve. Diese kann mit Hilfe von Bode-Diagrammen mit verschiedenen Lastszenarien bestimmt werden. Moderne Oszilloskope, wie die Siglent Serien SDS1004X-E oder SDS2002X-E bieten standardmäßig die Möglichkeit Bode-Plots zu erstellen. Das Oszilloskop übernimmt hier die Steuerung des Funktionsgenerators und die Aufnahme der Kurven. Der Phasen- und Amplitudenabstand kann entsprechend mit Hilfe von Markern aus dem Plot ausgelesen werden. Das Aufmacherfoto und Bild 1 zeigen einen möglichen Aufbau und die Messergebnisse.
Bild 1: Bestimmung des Phasenabstands.
Eine weitere Anforderung an integrierte Spannungsversorgungen ist die Einhaltung von Restwelligkeits-Toleranzen. Ein Effekt der immer kleiner werdenden Halbleiterbaugrößen ist, dass die Versorgungsspannungen von Mikrocontrollern oder FPGAs immer kleiner werden. Bei Spannungen von zum Beispiel 1,1 V und Toleranzangaben von 3% darf der Ripple maximal nur noch 33 mV betragen. Die Ströme werden im Gegenzug immer größer und auch die Anforderung an die Dynamik steigen ständig. Eine Nicht-Einhaltung der Toleranzen führt zu Fehlern und im schlimmsten Fall zum Ausfall des Systems. Das heißt, die Bestimmung von Restwelligkeit und Rauschen wird immer wichtiger. Ein entsprechender Messaufbau besteht aus einer sauberen Spannungsversorgung, einem Oszilloskop mit entsprechendem Tastkopf und einer elektronischen Last (Bild 2).
Bild 2: Drei Geräte zur Bestimmung des Regulierungsverhaltens bei schnellen Laständerungen.

Die Last sollte neben dem statischen verbrauchen von Strom auch die Möglichkeit bieten schnelle Lastwechsel zu erzeugen. Zur Messung des Ripple sollte nicht der AC-Mode verwendet werden, da hiermit eine langsame Drift des absoluten Spannungslevels nicht gesehen werden kann und es somit passieren kann, dass obwohl die Welligkeit kleiner als die Toleranz ist, Probleme entstehen können. Siglent Oszilloskope bieten bei kleinen vertikalen Einstellungen (500 µV/div — 100 mV/div) bis zu 2 V Offset. Damit ist es möglich immer den aktuellen Spannungspegel im Blick zu haben.

Schnelle Laständerungen

In diesem Zusammenhang ist die Messung des Regulierungsverhalten bei schnellen Laständerungen ein wichtiger Teil der Testprozedur. Wie stark bricht die Spannung bei plötzlicher, hoher Stromlast? Wie lange dauert es bis die Spannung wieder geregelt ist? Oftmals, ist es von Nöten eine Kombination von hocheffizienten Schaltregeln und nicht so effizienten Linear-Reglern (LDO -Low Dropout Regulators) zu integrieren. Linearregler sind gut geeignet um kleine Spannungsunterschiede auszugleichen und sie haben auch den Vorteil, dass sie eine entsprechende Filterwirkung mit sich bringen. Eine wichtige Messung in diesem Zusammenhang ist die Bestimmung des PSRR (Power Supply Ripple Rejection Ratio). Bei dieser Messung wird auf einer DC-Eingangsspannung künstlich ein, in der Frequenz variiertes, Sinus-Signal überlagert. Im Anschluss wird zu jeder Frequenz das Verhältnis der Pegel des Sinus-Ausgangs zum -Eingangssignals gebildet und logarithmisch aufgetragen. Diese Messung kann ebenfalls mit einem Oszilloskop mit Bode-Plot Funktion und einem Signalgenerator durchgeführt werden. Es wird hierzu ein Injektor-Modul benötigt um das Sinussignal auf die Eingangs-DC-Spannung aufzubringen. Neben der Optimierung der Schaltung und des Verhaltens kann der Entwickler heute auch auf neue, effizientere Halbleiterschalter zurückgreifen. Halbleiter mit großem Bandabstand wie Silizium-Karbid oder Gallium-Nitrit ermöglichen eine Steigerung der Effizienz, da diese Komponenten geringere Schaltverluste haben. Des Weiteren können die Schaltfrequenzen erhöht werden und die Schaltflanken sind steiler. In diesem Zusammenhang kann die Reglungsgeschwindigkeit erhöht werden. Ein weiterer Vorteil, externe Komponenten wie die Energiespeicher-Spulen oder Kapazitäten können kleinerer Bauform sein. Dies spart zusätzlich Platz, Gewicht und Kosten. Mit allen Vorteilen kommt auch immer mindestens ein Nachteil. Schnellere Schaltfrequenzen und steilere Flanken sind Quellen für elektromagnetische Abstrahlungen. Die höhere Spannungsfestigkeit der modernen Komponenten ermöglicht höhere ΔU/Δt und ΔI/Δt. Hohe ΔU/Δt erzeugen starke elektrische Felder welche durch kapazitive Kopplung über Kühlkörper zu erhöhter Abstrahlung führen können. Hohe ΔI/Δt erzeugen magnetische Felder welche induktiv über die Spulen (Rahmenantenne) abgestrahlt werden können. Zur Vermeidung von größeren EMV-Problemen ist das Augenmerk auf eine saubere Masseanbindung der Kühlkörper und auf eine Minimierung der Stromschleifen und die Verwendung von geschirmten Spulen zu achten. Eine Analyse der Abstrahlung kann gut mit einem Spektrum Analysator und H-Feld bzw. E-Feld Nahfeldsonden von Siglent durchgeführt werden.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die sich die Messungen selbst nicht besonders von „früher“ unterscheiden. Allerdings haben sich die Rahmenbedingungen und Toleranzen stark verändert. Die neuen Anforderungen und das Streben nach höchster Effizienz sind die Gründe für die Renaissance der Leistungselektronik.
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