Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie

ghost666 31 May 2022 08:44 636 1
IGE-XAO
  • Optymalizując systemy pozyskiwania danych (DAQ), projektanci muszą dokładnie rozważyć wpływ zasilaczy na precyzję działania układu. Często obwody zasilania zawierają kombinację stabilizatorów liniowych o niskim spadku napięcia (LDO) i przetwornic impulsowych DC-DC. Jedną z wad przetwornic impulsowych jest to, że wytwarzają tętnienia wyjściowe – zakłócenia w napięciu zasilającym. Chociaż wielkości tętnień są stosunkowo niskie, mogą sprzęgać się one z kluczowymi komponentami w ścieżce sygnału analogowego, co może zakłócać pomiary i obniżać jakość realizowanych pomiarów. Komponenty zasilające muszą zwykle charakteryzować się niskim poziomem szumów z odpowiednim filtrowaniem zasilania w wielu miejscach na PCB, aby zapobiec pogorszeniu parametrów łańcucha sygnałowego.

    Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) jest miernikiem, który określa ilościowo zdolność systemu do odrzucania szumów i zakłóceń pochodzących z linii zasilania. Ponieważ rozwiązania DAQ ewoluują, aby być bardziej kompletnymi systemami w zakresie integracji łańcucha sygnałowego, dzięki m. in. technologii system-in-package (SiP), elementy zasilające mogą być integrowane w tych samych obudowach, co precyzyjny tor sygnałowy w układzie. Pozwala to nie tylko zmniejszyć rozmiar systemu, ale także zwiększyć poziom PSRR układu.

    Definicja PSRR

    Współczynnik tłumienia zakłóceń zasilania, nazywany również współczynnikiem tłumienia tętnień zasilania, jest dla układów analogowych zasadniczo stosunkiem zmiany napięcia zasilania do zmiany napięcia wyjściowego wyrażonym w dB.

    Poniższe równanie definiuje sposób obliczania PSRR (A2V to wzmocnienie napięcia w badanym układzie).

    $$PSRR = 10 log_{10} (\frac {\Delta V^2_{supply} \times A^2_V} {\Delta V^2_{supply}} ) \qquad (1)$$


    PSRR to kluczowy parametr, który określa ilościowo czułość obwodu na szum i zakłócenia w zasilaniu oraz ich wpływ na wyjście z obwodu. Zwykle jest on mierzony w szerokim zakresie częstotliwości od DC do kilku MHz, przy czym PSRR ma tendencję do zmniejszania się przy wyższych częstotliwościach.

    Projektanci systemów często dodają kondensatory odsprzęgające do pinów zasilających ich obwodów, aby zmniejszyć szumy i zakłócenia, które mogą docierać do wrażliwych elementów. W przypadku wzmacniaczy operacyjnych kondensatory ceramiczne o pojemności 0,1 µF są umieszczane jak najbliżej pinów zasilania, aby zmniejszyć przenikanie zakłóceń o wysokiej częstotliwości. Ponadto, aby zapewnić filtrowanie w zakresie niskich częstotliwości, duże kondensatory tantalowe o pojemności np. 10 μF są dołączane do zasilania równolegle i zwykle umieszczane bliżej źródła zasilania.

    Motywacja do pomiarów PSRR

    Pragnienie energooszczędności jest jednym z powodów, dla których niektórzy projektanci systemów nie mogą stosować w swoich układach typowych komponentów konwersji mocy o dużej mocy i niskim poziomie szumów. Systemy DAQ zasilane bateryjnie są przykładem takiej aplikacji, która wymaga wysokiej sprawności przy niskim poborze mocy - co stanowi istotny czynnik motywujący do projektowania DAQ o mniejszej wrażliwości na zakłócenia zasilania.

    Nowoczesne urządzenia często zawierają kilka systemów zasilanych z tej samej baterii. Jeżeli pobór prądu przez jeden z system lub urządzenie wzrasta w pewnych sytuacjach, napięcie akumulatora, a zatem każde napięcie zasilania innych urządzeń zasilanych z wymienionego akumulatora, może się wahać. Z tych powodów stałoprądowe PSRR jest ważne podczas projektowania obwodów zarządzania akumulatorami w systemie. W zależności od czułości systemu, projektant może użyć regulatorów LDO, aby pomóc w redukcji spadków napięcia. PSRR zmiennoprądowe jest również ważną specyfikacją w systemach zasilanych bateryjnie, jeśli wymagane jest stosowanie stabilizatorów impulsowych typu buck, boost lub odwracający, które powodują tętnienia w napięciu zasilającym.

    W przypadku zastosowań przemysłowych kluczową specyfikacją jest szum całego systemu. Na przykład zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) z pobliskich źródeł mogą łączyć się z liniami zasilania, powodując impulsy szumu i inne zakłócenia w napięciu zasilającym. Aby zminimalizować wpływ tych zakłóceń i szumu na układ, ważne jest używaniu kondensatorów filtrujących, jak i odpowiednich technik projektowania PCB, takich jak uziemienie, ekranowanie i właściwe rozmieszczenie komponentów na płytce drukowanej.

    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.1. Typowy łańcuch sygnałowy precyzyjnej akwizycji danych.


    Rysunek 1 przedstawia typowy tor sygnałowy systemu akwizycji precyzyjnych danych. Na każdy element w różnym stopniu wpływają szumy zasilania. Dodanie odpowiedniej pojemności odsprzęgającej poprawia poziom PSRR przy wyższych częstotliwościach dla każdego z elementów w łańcuchu sygnałowym pokazanym na rysunku 1.

    Rozwiązania do pozyskiwania danych wykorzystujące µModule firmy Analog Devices pomagają rozwiązać niektóre z problemów związane z projektowaniem sekcji zasilania czułych układów. Dodatkowe zabiegi, takie jak zoptymalizowany układ ścieżek, dodanie kondensatorów odsprzęgających, a w niektórych przypadkach zewnętrznych komponentów zarządzania energią, takich jak regulatory LDO pozwala na osiągnięcie wysokiej wartości PSRR.

    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.2. Przykład dyskretnego obwodu testowego PSRR.


    ADAQ4003 to moduł µModule dedykowany do akwizycji danych, który zawiera w sobie kondensatory filtrujące wszystkie linie zasilania w celu zmniejszenia ich wrażliwości na zakłócenia. Systemy zbierania danych ADAQ7980 i ADAQ7988 z rodziny układów µModule zawierają w sobie kondensatory filtrujące jak i stabilizatory LDO. Zintegrowany stabilizator LDO dodatkowo upraszcza układ - projektanci systemu muszą zapewnić tylko jedno czyste źródło zasilania do zasilania urządzenia µModule i mogą w razie potrzeby ominąć zewnętrzne stabilizatory LDO.

    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.3. PSRR w funkcji częstotliwość dla w pełni różnicowego sterownika ADC ADA4945.


    Współczesne metody testowania PSRR na elementach dyskretnych

    Pomiar PSRR elementów dyskretnych wykorzystuje metodologię dobrze ugruntowanych standardów i metod. Test PSRR elementu dyskretnego jest zwykle wykonywany bez żadnej zewnętrznej pojemności filtrującej zasilanie, celowo ujawniając bezpośredni wpływ na działanie elementu znacznego szumu w szynach zasilających.

    Zwykle wykorzystuje się generator funkcji i analizator do scharakteryzowania PSRR wzmacniacza poprzez wprowadzanie różnych tonów do napięcia zasilania DC i pomiar ilości zakłóceń na wyjściu testowanego urządzenia.

    Wykonanie pomiaru zmiennoprądowego PSRR na części dyskretnej wymaga podania sygnału AC do napięcia zasilania DC i pomiaru zakłócenia wyjściowego w odniesieniu do bodźca w zasilaniu. Na przykład ADA4945 ma PSRR równy 115 dB, zmierzony przy częstotliwości 100 kHz. Oznacza to, że zakłócenie zasilania w postaci prądu przemiennego o wartości międzyszczytowej równej 1 V i częstotliwości równej 100 kHz przejawia się w postaci sygnału około 1,79 µV na wyjściu urządzenia.

    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.4. Pojedynczy obwód testowy PSRR dla ADC.


    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.5. PSRR w funkcji częstotliwości dla badanego ADC.


    Pomiar parametru PSRR dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) jest podobne do testowania wzmacniacza, ale zamiast napięcia wyjściowego, analizuje się wyjściowe kody cyfrowe. Dla zmiennoprądowego PSRR ADC, parametr ten jest stosunkiem mocy na wyjściu ADC przy danej częstotliwości do mocy fali sinusoidalnej o napięciu międzyszczytowym równy 200 mV wprowadzonym do linii z źródła zasilania ADC. Rysunek 4 i rysunek 5 przedstawiają konfigurację testową i wynikającą z niej typową odpowiedź odpowiednio dla przetwornika SAR ADC.

    $$PSRR (dB) = 10 log ( \frac {PV_{DD\_IN}} {PV_{ADC\_OUT}}) \qquad (2)$$


    W przypadku testów stałoprądowych PSRR błąd jest maksymalną zmianą punktu przejścia pełnej skali w wyniku zmiany napięcia zasilania względem wartości nominalnej.

    Wyzwaniem związanym z pomiarem PSRR SiP (system in package) jest to, że zawierają one w sobie wiele wewnętrznych kondensatorów filtrujących o pojemności nawet do 30 µF, a większość generatorów sygnału i analizatorów sieci ma problemy z zasilaniem tak dużych obciążeń pojemnościowych, szczególnie przy wyższych częstotliwościach.

    Jak scharakteryzować PSRR toru sygnałowego opartego na µModule

    Charakteryzując PSRR układu µModule, metodologia testowania jest zasadniczo taka sama, jak przy testowanie zwykłego wzmacniacza. Na napięcie zasilania DC nakładany jest sygnał AC i mierzona jest zależność między bodźcem na zasilaniu a wyjściem µModule. Jednak ze względu na wewnętrzne kondensatory odsprzęgające zasilanie, wraz ze wzrostem częstotliwości wejściowych do źródła zasilania, rośnie również potrzeba zwiększania możliwości sterowania prądem ze źródła sygnału. Pojemność wewnętrzna zapewnia zwiększoną odporność na zmiennoprądowe zakłócenia, ale test ten ma uwzględniać najgorszy scenariusz.

    Rozwiązania µModule dla toru pomiarowego mogą być stosowane w wielu różnych zastosowaniach, dlatego PSRR układu typu SiP musi być testowany podobnie jak dyskretnego elementu w końcowej aplikacji. Chociaż istnieje wiele dyskretnych komponentów, może być trudno przewidzieć, jak cały system zareaguje na zniekształcenia związane z zasilaniem.

    Z punktu widzenia charakteryzacji, wewnętrzna pojemność filtrująca i właściwy projekt płytki testowej są najważniejszymi kwestiami, które należy wziąć pod uwagę przy prawidłowym pomiarze PSRR. Wszelkie wewnętrzne kondensatory filtrujące poprawiają PSRR dla prądu przemiennego systemu wykorzystującego układy µModule w torze sygnałowym, ale ta pojemność wpływa także na sposób przeprowadzania omawianego testu.

    Jak wspomniano wcześniej, generatory sygnału nie mają możliwości sterowania większymi obciążeniami pojemnościowymi. Dla przykładu, rozważmy system wykorzystujący µModule w łańcuchu sygnałowym z całkowitą wewnętrzną pojemnością filtrującą równą 3 µF na głównej linii zasilana i test PSRR wymagający maksymalnej częstotliwości wstrzykiwanej do linii zasilania równej 10 MHz przy amplitudzie 50 mV p-p. W oparciu o te warunki łatwo wyliczyć, że generator sygnału wytwarzający falę sinusoidalną musiałby być w stanie sterować prądem o natężeniu około 4,71 A (patrz równanie 1) i mieć wystarczającą szerokość pasma, aby obsłużyć sygnał o częstotliwości do 10 MHz. Wynika to z impedancji kondensatora filtrującego przy częstotliwości 10 MHz.

    $$ I_C = \frac {V_{PEAK}} {\frac {1} {2 \times \pi \times f \times C}} \geq \frac {25 mV} {\frac {1} {2 \pi \times 10 MHz \times 2 \mu F}} \geq 4,7124 A \qquad (3) $$


    Aby zapewnić wystarczający prąd, można zastosować wzmacniacz dużej mocy, taki jak na przykład ADA4870, aby zapewnić dodatkowe możliwości sterowania prądem. Taka konfiguracja zakłada, że używany generator funkcyjny może zapewnić niezbędne napięcie do polaryzacji urządzenia testowanego. Jeśli tak nie jest, można użyć trójnika polaryzacyjnego do odizolowania ścieżek sygnału DC i AC lub zwiększyć dostępne odchylenie prądu stałego z danego generatora sygnału, który poza tym spełniać musi inne niezbędne wymagania co do napięcia wyjściowego.

    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.6. Schemat blokowy konfiguracji PSRR z ADA4870.


    Korzystanie z płytki ewaluacyjnej ADA4870 zapewnia stosunkowo łatwy sposób połączenia z płytką ewaluacyjną i generatorem sygnału, ponieważ ma ona wejścia i wyjścia w postaci portów SMA.

    Rozważania projektowe przy opracowywaniu układu testowego

    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.7. Przykład słabego rozplanowania wylewek i ścieżek zasilania.


    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.8. Schemat płytki z rysunku 7 z uwzględnieniem elementów pasożytniczych.


    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.9. Optymalizacja prowadzenia ścieżek zasilania na PCB.


    Zaprojektowanie płytki ewaluacyjnej, która może być również używana do testów zmiennoprądowych PSRR, nie musi być przyczyną do drastycznej zmiany projektu. Oto kilka kluczowych punktów, o których należy pamiętać:

    * Dla każdego zasilacza, który będzie testowany pod kątem PSRR, należy zapewnić opcję sterowania zasilaniem poprzez SMA, aby zachować integralność sygnału od samego źródła.
    * Należy zwrócić szczególną uwagę, aby zmniejszyć wszelkie pasożytnicze indukcyjności i pojemności na ścieżce od wejścia SMA do powiązanej z nim płaszczyzny zasilania w urządzeniu testowanym. Wszelkie pasożytnicze pojemności lub indukcyjności po drodze mogą powodować niepożądane rezonanse w zakresie częstotliwości będących przedmiotem zainteresowania omawianych pomiarów.
    * Dla każdego źródła zasilania należy upewnić się, że skojarzona z nim płaszczyzna zasilania jest jednolita - to znaczy nie jest podzielona na wiele sekcji za pomocą komponentów pasywnych czy też nie jest rozrzucona na wielu warstwach. Na przykład rezystor mierzący prąd nie powinien łączyć dwóch płaszczyzn zasilania ze sobą (jak pokazano na rysunku 7). Należy również zminimalizować liczbę warstw jakie przecina linia zasilania, aby uniknąć pasożytniczych indukcyjności powodowanych przez przelotki, jak pokazano w modelu pokazanym na rysunku 8, który uwzględnia wszystkie wartości pasożytnicze. Rezystory pokazane na rysunku 7 mogą być używane do pomiaru prądu, ale w tym przypadku, mają one 0 Ω. Rysunek 9 przedstawia lepsze prowadzenie płaszczyzny zasilania na PCB, a rysunek 10 przedstawia model równoważny tego układu, w uwzględnieniem elementów pasożytniczych.

    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.10. Schemat ideowy płytki z rysunku 9 z uwzględnieniem elementów pasożytniczych.


    Ważne jest, aby płytkę ewaluacyjną przetestować również bez badanego układu, aby upewnić się, że nie wykazuje ona niepożądanych rezonansów w zakresie częstotliwości będących przedmiotem zainteresowania tego pomiaru. Jeśli występują takie rezonanse, należy to uwzględnić podczas przetwarzania uzyskanych danych. Dla każdej częstotliwości należy sprawdzić zakres, czy sygnał zasilania odpowiada oczekiwaniom - nie można ufać tylko pokrętłom generatora sygnału.

    Konfiguracja testowa

    Jak wcześniej zauważono, zasilanie testowanego modułu µModułu w torze sygnałowym musi być w stanie zapewnić odpowiednie napięcie stałe, niezbędne do zasilenia urządzenia testowanego plus bodziec AC, przy wystarczającym prądzie przy maksymalnej częstotliwości wejściowej. Aby to osiągnąć w pokazanej tu konfiguracji testowej, płytka ewaluacyjna ADA4870 jest używana w konfiguracji nieodwracającej z wzmocnieniem równym dwa w połączeniu z generatorem funkcyjnym AD3256.

    Rysunek 11 przedstawia dostosowaną kartę ewaluacyjną wzmacniacza mocy ADA4870 i płytkę ewaluacyjną ADA4355.

    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.11. Płytka ewaluacyjna ADA4355 z ADA4870 do testowania PSRR.


    Dane pokazane na rysunku 12 poniżej zostały wygenerowane przez przechwytywanie danych dla każdej częstotliwości wejściowej i badanie mocy w wykresie FFT (dBFS) na każdej z tych częstotliwości. Stamtąd poziom napięcia przy tej częstotliwości został wyznaczony za pomocą równania 4:

    $$V_{OUT\_PSRR} = 10 ^ {\frac {P_{OUT\_PSRR}} {20}} \times V_{pełna skala} \qquad (4)$$


    Charakteryzacja PSRR modułów z wbudowanymi kondensatorami filtrującymi zasilanie
    Rys.12. PSRR zmierzony dla ADA4355.


    Wykorzystując obliczone napięcie V OUT_PSRR obliczamy sam współczynnik odrzucenia wpływu zasilania, korzystając z równania 5.

    $$PSRR = 20 log _{10} (\frac {V_{OUT\_PSRR}} {V_{SUPPLY\_AC}}) \qquad(5)$$


    Podsumowanie

    Tor sygnałowy wykorzystujący układy Analog Devices z serii µModule integruje w sobie tak kondycjonowanie sygnału jak i stabilizację zasilania wraz z niezbędnymi elementami pasywnymi. Te kompleksowe systemy SiP umożliwiają szybkie osiągnięcie pożądanych parametrów w gotowej do wprowadzenia na rynku formie przy bardzo małej powierzchni na PCB.

    Chociaż rozwiązania µModule dla łańcucha sygnałowego nie mają sobie równych pod względem łatwości implementacji, należy przeprowadzić odpowiednie testy ich implementacji. Chociaż można zastosować standardowe praktyki testowania PSRR, często konieczne są dodatkowe możliwości sterowania prądem, ze względu na ograniczenia standardowego wyposażenia laboratoryjnego.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/characterizing-the-psrr-of-data-acquisition-umodule-devices-with-internal-bypass-capacitors.html?ADICID=elektroda

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11085 posts with rating 9401, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • IGE-XAO
  • #2
    szeryf3
    Level 25  
    Fajny długi dość trudnym językiem napisany artykuł.
    Czy coś mi w głowie zostało?
    Tak i dało mi wiele do przemyślenia.