Pomiar tętnień i szumów na wyjściu przetwornicy impulsowej wydaje się zadaniem dziecinnie prostym: wystarczy podłączyć sondę oscyloskopową do wyjścia układu, ustawić sprzężenie AC i odczytać wartości Vpp oraz Vrms zmierzone automatycznie przez oscyloskop. W praktyce natomiast jest to jeden z tych pomiarów, w których konfiguracja stanowiska potrafi wpłynąć na wynik bardziej niż sam badany układ. Szczególnie zdradliwy jest klasyczny przewód masy zakończony krokodylkiem, dostarczany z większością sond pasywnych.
Aby zilustrować omawiane zagadnienie, wykonaliśmy w naszym laboratorium pomiary z użyciem płytki ewaluacyjnej LMR51430EVM i wysokiej klasy oscyloskopu Keysight MSO-X 3054G. Pokażemy, że trzy sposoby sondowania – w tym dwa pozornie identyczne – prowadzą do istotnie różnych obserwacji.
Co właściwie mierzymy na wyjściu przetwornicy?
Na wyjściu przetwornicy DC/DC występują co najmniej dwie składowe sygnału zmiennego. Pierwsza to rzeczywiste tętnienia napięcia wyjściowego, kształtowane przez pracę tranzystora kluczującego i algorytm sterowania nim. Na ten element przebiegu wyjściowego wpływają także jakość layoutu PCB i wartości elementów pasywnych (cewki, kondensatory) – oczywiście wraz z całym „dobrodziejstwem inwentarza”, w tym parametrami pasożytniczymi, np. zastępczą rezystancją szeregową (ESR) i zastępczą indukcyjnością szeregową (ESL) kondensatorów.
Drugi element to składowa zakłóceniowa, związana z bardzo stromymi zboczami napięcia i prądu w węźle przełączającym. Choć dla przetwornicy pracującej z częstotliwością przełączania rzędu kilkuset kiloherców lub nawet kilku MHz podstawowe tętnienia mieszczą się zwykle w zakresie łatwym do obserwacji nawet przy użyciu najprostszego oscyloskopu, to zakłócenia impulsowe mają widmo sięgające dziesiątek, a czasem setek megaherców.
Rozróżnienie źródła poszczególnych składowych jest istotne, ponieważ oscyloskop „nie wie”, czy pokazuje napięcie faktycznie obecne między padami kondensatora wyjściowego, czy też nakładające się na nie napięcie zaindukowane w pętli utworzonej przez sondę, przewód masy i płaszczyznę GND na PCB. Przy pomiarach małych wartości, rzędu kilku-kilkunastu miliwoltów, geometria połączenia staje się istotną częścią układu pomiarowego.
Trzy pomiary tej samej płytki
Badany układ to płytka ewaluacyjna LMR51430EVM z 3-amperową, synchroniczną przetwornicą DC/DC typu buck. Pomiary wykonano oscyloskopem Keysight MSO-X 3054G, wykorzystując trzy kanały:
CH1 – sonda podłączona do wyjścia, masa sondy połączona krokodylkiem po stronie wejścia przetwornicy,
CH2 – sonda podłączona do wyjścia, ale krokodylek masy dołączony po stronie wyjścia przetwornicy,
CH3 – pomiar bezpośrednio za kondensatorem wyjściowym, z użyciem sprężynki sondy wyposażonej w końcówkę igłową (bez haczyka) i sprężynkę „masową” zamiast klasycznego przewodu.
Choć z elektrycznego punktu widzenia wszystkie trzy sondy są ze sobą połączone równolegle, to sygnały widoczne w kanałach CH1, CH2 i CH3 różnią się diametralnie pod względem amplitudy poszczególnych składowych. Sonda kanału CH1 tworzy największą pętlę masy, ponieważ prąd powrotny sondy zamyka się przez relatywnie długi przewód masy oraz fragment płaszczyzny GND płytki PCB, znajdujący się między stroną wyjściową a wejściową. Podłączenie masy CH2 po stronie wyjścia skraca tę drogę, więc wynik jest znacznie bliższy rzeczywistemu napięciu na wyjściu, ale nadal obecna jest pętla utworzona przez przewód masowy z krokodylkiem, która przechwytuje część zakłóceń zaindukowanych przez pole elektromagnetyczne wokół przetwornicy. Wreszcie CH3 minimalizuje powierzchnię pętli, ponieważ sprężynka masy zamyka obwód pomiarowy bezpośrednio przy badanym punkcie, tj. na padach niezainstalowanego fabrycznie kondensatora C9.
Dlaczego przewód masy z krokodylkiem fałszuje wynik?
Przewód masowy sondy nie jest idealnym połączeniem o zerowej impedancji, ma bowiem pewną indukcyjność własną i rezystancję. Jakby tego było mało, tworzy on fizyczną pętlę masy o określonej powierzchni, która w pobliżu przetwornicy impulsowej działa jak mała antena magnetyczna. Jeżeli w sąsiedztwie płyną prądy o dużej stromości zboczy (di/dt), na przykład w obwodzie klucza tranzystorowego, diody, kondensatora wejściowego czy też węzła przełączającego (zwykle określanego skrótem SW), w pętli indukuje się napięcie zakłócające odczyty.
Znaczenie ma także orientacja pętli względem pola magnetycznego oraz miejsce, w którym przewód masy został dołączony do płytki. Im większa pętla, tym większy jest objęty nią strumień magnetyczny, co bezpośrednio przekłada się na amplitudę impulsów widocznych na oscylogramie. Dlatego pomiar wykonany z masą podłączoną gdzieś po stronie wejściowej zwykle pokaże znacznie większe impulsy niż pomiar przeprowadzony bezpośrednio przy kondensatorze wyjściowym. Nie oznacza to, że przetwornica nagle zaczyna generować silniejsze szumy – to sam tor pomiarowy zaczął odbierać zakłócenia, których nie należy utożsamiać z rzeczywistym napięciem wyjściowym.
Gdzie powinien znajdować się punkt pomiarowy?
Najbardziej miarodajny pomiar tętnień wyjściowych wykonuje się możliwie blisko kondensatora wyjściowego, najlepiej bezpośrednio na jego padach lub na dedykowanych punktach pomiarowych. Końcówka sondy powinna dotykać punktu VOUT, a masa sondy musi być połączona z najbliższym punktem GND przy tym samym kondensatorze. Sprężynka masy jest w takim przypadku znacznie lepsza niż klasyczny krokodylek, ponieważ drastycznie redukuje zarówno długość połączenia, jak i powierzchnię pętli.
Jeszcze lepszym rozwiązaniem przy niektórych pomiarach porównawczych jest przygotowanie krótkiego adaptera koncentrycznego: żyła środkowa powinna zostać połączona z szyną napięcia wyjściowego, ekran z GND, a po stronie oscyloskopu wejście warto ustawić na impedancję 50 Ω (o ile posiadany oscyloskop daje taką możliwość).
UWAGA: przed wykonaniem pomiarów trzeba koniecznie sprawdzić, czy potencjały panujące w układzie (w tym poziom składowej stałej) pozwalają na bezpieczne (dla użytkownika oraz sprzętu) wykonanie takiego pomiaru. Jeżeli nie, należy rozważyć użycie specjalnej sondy wysokonapięciowej.
Ustawienia oscyloskopu też mają znaczenie
Poprawne sondowanie jest warunkiem koniecznym, ale nie jedynym. Przy pomiarze tętnień warto świadomie dobrać ustawienia oscyloskopu. Sprzężenie AC wejścia oscyloskopu umożliwia obserwację małej składowej zmiennej na tle znacznie większego napięcia stałego, ale może zniekształcać bardzo wolne zmiany i odpowiedź na skokowe zmiany obciążenia. Ograniczenie pasma (zwykle do 20 MHz) bywa użyteczne, gdy celem jest porównanie z typowymi danymi katalogowymi lub eliminacja bardzo szybkich pików, ale nie wolno go traktować jako uniwersalnego filtru „poprawiającego” wynik. Jeżeli interesują nas zakłócenia impulsowe, pełne widmo pomiarowe oscyloskopu może ujawnić zjawiska, które po ograniczeniu pasma zostaną ukryte.
Porada praktyczna:
W raporcie z pomiaru warto zapisać co najmniej:
- typ (model) sondy,
- ustawione tłumienie (1:1 lub 10:1),
- sprzężenie wejścia (AC lub DC),
- ograniczenie pasma (brak filtra, włączony filtr 20 MHz itp.),
- miejsce podłączenia masy na PCB,
- punkt sondowania (do którego dołączono igłę sondy),
- aktualne obciążenie przetwornicy [A],
- wartości napięcia wejściowego i wyjściowego,
- częstotliwość przełączania (zdefiniowaną przez scalony kontroler przetwornicy).
Bez tych informacji sama wartość Vpp czy Vrms ma ograniczoną wartość porównawczą.
Interpretacja pomiarów CH1, CH2 i CH3
Najbardziej pouczający w takim eksperymencie jest nie sam bezwzględny wynik, lecz różnica uzyskana pomiędzy kanałami. CH1 pokazuje największe impulsy, CH2 mniejsze, a CH3 najczystszy przebieg – i nie jest to przypadek. Taki układ wyników wskazuje, że istotna część obserwowanego sygnału pochodzi z toru pomiarowego, a nie z samego wyjścia przetwornicy. Długi przewód masy po stronie wejściowej zbiera zakłócenia z obszaru, w którym występują największe prądy impulsowe. Przeniesienie masy na stronę wyjściową zmniejsza błąd, ale dopiero pomiar ze sprężynką masy daje obraz zbliżony do napięcia rzeczywiście obecnego na kondensatorze wyjściowym.
Warto również zwrócić uwagę na kształt przebiegu. Rzeczywiste tętnienia mają zwykle powtarzalną strukturę związaną z częstotliwością przełączania (w przypadku badanego zestawu ewaluacyjnego jest to około 500 kHz). Bardzo wąskie, wysokie piki zsynchronizowane ze zboczami wynikającymi z przełączania tranzystora wyjściowego często są mieszaniną rzeczywistego „dzwonienia”, sprzężeń indukcyjnych na PCB oraz błędów sondowania. Ich obecność nie musi automatycznie oznaczać złej jakości zasilania, ale zawsze wymaga ostrożnej interpretacji.
Obecność silnych impulsów o stromych zboczach, widocznych w przebiegu z kanału CH1 (i nieco słabiej w CH2) ma swoje odzwierciedlenie w widmie sygnału. Na poniższych screenach widoczne są wyniki transformacji Fouriera wykonanej z użyciem funkcji FFT oscyloskopu. Im dłuższa pętla masy, tym bardziej „zaśmiecone” widmo składowej zmiennej napięcia wyjściowego DC/DC. W dodatku, w przypadku kanałów CH1 i CH2, widoczny jest także poszerzony pik widma po prawej stronie ekranu, niewystępujący w kanale CH3 – interpretację tego artefaktu pozostawiamy zainteresowanym Czytelnikom.
Podsumowanie
Klasyczny przewód masy sondy oscyloskopowej jest wygodny w użyciu, ale – jak to zwykle w życiu bywa – nie nadaje się do wszystkiego. Przy pomiarze szumów przetwornic impulsowych bywa źródłem poważnych błędów, dodaje bowiem do wyników istotne składowe, wynikające z zakłóceń przenoszonych przede wszystkim drogą indukcji magnetycznej. Długa pętla masy odbiera zakłócenia generowane przez prądy przełączające, dlatego skrócenie połączenia znacznie poprawia wynik, a pomiar ze sprężynką masy bezpośrednio przy kondensatorze wyjściowym daje najbardziej wiarygodny obraz napięcia wyjściowego.
Najważniejszy wniosek jest prosty: zanim ocenimy jakość przetwornicy, warto przyjrzeć się jakości samego pomiaru i doborowi akcesoriów. Niewielka, metalowa sprężynka, bardzo często dodawana przez producentów sond pasywnych do zestawu, zdecydowanie nie powinna tkwić zapomniana w oryginalnym opakowaniu, bowiem w przypadku sygnałów o relatywnie szerokim spektrum może stać się kluczem do właściwych pomiarów.
