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真实差分示波器助力物联网(IoT)测试

日期:2018年12月05日  点击:载入中...

摘要:最近的一篇文章——“真实差分输入示波器如何提升探测安全性和精度”,解释了差分探测的好处,即使得工程师能够安全的探测传统示波器和单端探头无法获得的重要系统信号。这种好处是通过消除接地返回路径而获得的,接地返回路径不仅可以影响浮地信号,还可以导致系统拾取到足够的电流从而破坏电路的某些部分,并且有潜在可能会伤害到测试人员!正如我们将展示的那样,除了安全性的优势,差分探测也可以让工程师深入洞察当今的低压电路。这次我们考察介绍一种新的差分输入示波器PicoScope 4444如何帮助调试一个典型的DC/DC转换器,该转换器旨在为物联网(IoT)应用提供电源。


一、多功能物联网电池调节器

Intersil的简单电池调节器电路说明了这一点,并为本文提供了一个有趣的测试案例。 乍一看,电感L1是接地还是浮动并不明显(图1b)。电感电流由开关设置决定,而开关设置又由VINVOUT和输出负载的绝对电平决定。


图1 PFM 模式电池调节器IC. (a) 外部电路 (b) 内部开关电感引脚

 

ISL9120 简介

ISL9120是一款迟滞的多模式电池电压开关稳压器,可在降压,升压或直通模式下工作。随着输入电压下降,器件切换模式以维持稳定,从而挤压给定电池的最大工作寿命。该操作范围适用于许多现代电池化学产品,范围在1.85.5 V之间。该器件可将高达800 mA的电流驱动至负载,并且需要最少数量的外部元件,其中小功率电感和输出电容是关键。

 

开关基础

开关的主要优点是节能转换。如下图2所示最高效率为98%,并且在所有条件下都能保持85%以上。实现这一主要优点取决于滞后PFM(脉冲频率调制)切换方法,即使在轻负载时也能保持效率。

开关稳压器使用功率电感器作为其主要能量存储元件。操作依赖于从电路的输入端向输出端传输“Buckets”能量。每个开关周期传递的能量是开关速率和电感器尺寸的函数。在电路中,一个微小的表面贴装电感器可以完成这项工作。



图2 ISL9120的转换效率 (Courtesy Intersil)

 

二、关于测试设置

上面的双图显示左侧的测试设置和右侧的Intersil评估板。请注意,在TP2TP3PCB的上部中间部分)的电感器上放置的示波器探头利用引脚和发条盒探测方法来最小化探头极之间的引线长度差异 - 这是减少振铃的重要一步。



图3 测试设置及ISL9120 评估板的特写镜头显示了电感探测点 (TP2 & TP3)

此设置包括表中列出的标准实验室设备,尽管可能并非每个人都可以使用上具有电流感应杰出才华的I-prober的电流探头。该电流探头采用新型磁传感器,可以直接测量电流,无需断开电路并引入检测电阻。这非常有用,因为Intersil演示板不包含用于低欧姆检测电阻的电桥,因此使得电流测量更为复杂。



表1 测试工具套件列表

三、波形测试及分析

四个内部IC电源开关环绕电感,确定电流(图1b)。考虑到所有开关组合,很难解除其间可能存在的瞬时电压。相反的走线(图4)覆盖了三个重要的电路信号,展示了这种电路典型的复杂开关波形:

红色:输出电压纹波(交流耦合)

绿色:电感差分电压(直流耦合)

蓝色:电感电流波形(交流耦合)

 

从现在开始,我们只关注电感(引脚LX1LX2)内发生的事情以及它对输出电压的影响。

现在考虑所有三种操作模式:

降压条件下的电感电压,电流和输出纹波

升压条件下的电感电压,电流和输出纹波

旁路模式下的电感电压,电流和输出纹波

降压操作(VIN > VOUT)

在以下静态条件下测量以下迹线:

设置: VIN = 5 V, VOUT = 3.4 V and IOUT = 500 mA

迹线:

红色:输出电压纹波(交流耦合)

绿色:电感差分电压(直流耦合)

蓝色:电感电流



图5 降压操作(Vin = 5 V, Vout = 3.4 V and Iout = 500 mA)

 

波形体现了电路操作。绿色迹线显示了电感上出现的差分电压。在这里,对于10个脉冲,电压摆幅在0 V附近的3.4 V范围内 - 这显然由固定的3.4 V输出设定。在第11个脉冲上,在迅速下降到零之前(带有严重的振铃现象),摆动延伸到大约4.4 V的峰值。当达到ISL9120的迟滞电压极限时,会出现最后一次脉冲。

对于每个电感器电压脉冲,电感器电流遵循线性斜坡。当能量从电感器传输到电容器(红色迹线)时,每个电流脉冲增长输出电容器上的正向电压斜坡(图1a中的C2)。

VOUT达到稳压器的上迟滞阈值时,PFM脉冲停止。设备数据表明这比标称输出高1.5%。在固定的3.4 V输出端,这意味着它高出约50 mV(即3.45 V)。当开关停止时,VOUT衰减回标称值,此时PFM可以重新开始。

循环切换在固定的3.4 V DC上产生独特的锯齿波输出纹波波形。红色迹线显示纹波的幅度约为±20 mV - 略高于上面预测的50 mV。在此工作点,切换间隔为6.36μs157 kHz)。

最后,请注意纹波波形正向边沿的微小扰动。电感器两端的快速斩波电压会产生电噪声。很明显,这是这种输出噪声的起源。红色和绿色迹线之间存在明显的时间相关性。查看蓝色(电感器电流)迹线进一步增加了这一结论的重要性。

当差分电压达到零伏时,电感电压波形会有明显的振铃现象。显然,用于进行这种测量的无源探头正在加载在其自身和电感器之间形成的效应。这是在预料之中的,假定电感是微小的1μH

负载大大降低会发生什么?

图中的工作条件保持不变(图6),但负载电流减少20倍至25 mA

不出所料,我们看到具有类似信号幅度的可比较的电感器行为。也就是说,在轻负载条件下,电感电流没有直流偏移分量。但是,随着负载下降,PFM突发间隔已延长。这是由所需的负载能量显著降低引起的。

现在只发生六个PFM脉冲,但它们之间的关闭时间明显延长。这种差异反映在较慢的输出纹波率 - 已经翻倍至13.7μs73 kHz)。请注意,纹波幅度减半仅为±13 mV

图6 降压操作 (Vin = 5 V, Vout = 3.4 V and Iout = 25 mA)

 

当前结论 - 降压模式

对于PFM稳压器,轻负载会导致输出纹波频率和电压幅度降低。 PFM脉冲突发之间的时间因轻负载而增加。通过限制典型的固定频率PWM(脉冲宽度调制)调节器的动态开关损耗,关断时间可延长以提高低负载效率。

 

升压操作 (VIN < VOUT)

设置: VIN = 2.0 V, VOUT = 3.4 V and IO = 250 mA

迹线:

红色:输出电压纹波= 64 mV

绿色:电感差分电压(直流耦合)

蓝色:电感电流

 

 

 

这一次,稳压器接近其最小输入电压。仔细检查波形(图7)表明电感器电压行为与降压情况类似。电感电流上升清晰可见于蓝色曲线。在击中第八个脉冲之前,电感电流在七个脉冲上摆动±300 mA,此时调节器的上迟滞极限被击中。电感电流坍塌,导致PFM过程开始之前输出纹波的负向摆动。

图7 升压操作 (VIN = 2.0 V, VOUT = 3.4 V and IOUT = 250 mA

 

旁路操作 (VIN ≈ VOUT)

静态设置条件: VIN = 3.45 V, VOUT = 3.4 V, 无负载

迹线:

红色:输出电压斜坡

绿色:输入电流峰值

蓝色:电感电流

该迹线(图8)显示了输入与输出电压紧密匹配时的操作 - 即在旁路模式下工作时的操作。上部迹线显示电感器上的短暂的正向和负向瞬态电压。

这次电感电流看起来明显不同。

8中的标尺显示电感电流波形的负向边沿约为300 mA - 与其他模式一致。该边沿表示从电感器中抽出的能量,对输出电容器充电,导致纹波电压上升。开关频率为295 kHz

图8 旁路操作 (Vin = 3.4 V, Vout = 3.4 V, 250 mA 负载)

 

PFM开关打开时,电感电流迅速下降约500 mA。在这种情况下,振铃发生在输出纹波波形的下降沿。

与其它工作模式一样,降低负载会导致预料中的开关频率的下降。显示25 mA负载(图9)时,频率降至62 kHz

图9 旁路操作 ( 25 mA 负载)

四、结论

能够在PicoScope 4444的高共模抑制的帮助下查看真正的差分信号,有助于对具有浮动节点的系统进行快速系统调试。在PFM稳压器的例子中,建立了电感器电流及其对输出电压纹波性能的影响。这证明了设备控制系统的效果:即PFM脉冲数量和开关速率的下降导致在较轻负载下纹波频率和幅度同时下降,而与工作模式无关。

探测电感有助于识别输出电压噪声的来源,即PFM电流脉冲作用于其自身的噪声。很明显,测试调节器时使用的无源探头的寄生电感对电路带来了影响,加剧了几条走线中出现的振铃。英国比克科技(Pico Technology)的真实差分输入示波器PicoScope 4444提供了几个简化本文所述测试性能的特征,其具有4路真实差分输入、14ADC分辨率以及256MS存储深度,是浮地信号、差分信号测试的高性价比方案。

 

 

 

如果想试用或购买PicoScope 4444,可以联系Pico Technology授权分销商子尔有限公司(www.zierchina.com

联系人:乔小姐 18501662272/18501662272@zierchina.com



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