servis maticnih ploca hrvatska

Ripple and Noise (PARD)

IMG 3606Switch napajanja u pravilu na DC izlazima sadržavaju određenu vrijednost izmjenične komponente na istosmjernom naponu. Amplituda AC komponente je prosječno negdje između 10 mV pa sve do nekoliko stotina milivolti p-p.

Ripple je osnovni i predvidljiv element čija je frekvencija uvijek ista fundmantalnoj operativnoj frekvenciji sklopa. S toga ako switch element radi na frekvenciji od 100kHz tada će i frekvencija valnog oblika ripple-a biti isto tako biti 100kHz.

Izgled valnog oblika predstavlja punjenje i pražnjenje filter kodenzatora na izvodu napajanja.

U savršenom napajanju s savršenim komponentama jedina AC komponenta na izvodu napajanja će biti ripple. S obzirom da komponente nisu savršene, na izvodu će se pojaviti još jedan AC element koji se naziva Šum (noise).

Testni sistem također nije savršen te postoji određena količina šuma, nazivamo ga random noise. Prisutan je duž cijelog valnog oblika te se pojavljuje nasumično.

Switching transient noise je šum generiran od strane switch elementa, najčešće mosfeta u primarnom dijelu napajanja.

Ripple je relativno masivna komponenta s znatno višom energijom, u pravilu niže frekvencije te se zbog toga tek manjim dijelom može reducirati s dodatnim kapacitetom. Noise je komponenta s znatno manjom energijom te u pravilu znatno više frekvencije uglavnom u Mhz opsegu stoga se znatno može reducirati dodatatnim kapacitetom, čak kapacitet i induktivitet PCB-a će vidljivo reducirati amplitudu nasumičnog šuma.

Mjerne tehnike

Komponente visoke frekvencije poput šuma mogu predstavljati probleme u mjerenju amplitude valnog oblika. Od iznimne je važnosti strogo se pridržavati preporučene tehnike testiranja te adekvatne opreme kako bi dobiveni rezultati bili precizni i ponovljivi.

Treba naglasiti kako ne postoji strogo propisani uvijeti testiranja ponajprije radi različitih zahtjeva samih aplikacija, međutim najčešće se koristi kapacitivni filer uz limitaciju analogne propusnosti osciloskopa do 20Mhz. Dakle, minimalna deklarirana analogna propusnost sistema je 20Mhz.

S obzirom da se kod cijelokupnog sistema primjenjuje pravilo najslabije karike, podrazumijeva se da osciloskop kao i mjerne sonde moraju imati minimalnu analognu propusnost od 20Mhz pa postoji par zamki na koje ćemo u nastavku teksta obratiti pozornost.

Broj uzrokovanja(sample rate) mora biti 3-5 puta veći od analogne propusnosti, dakle 60-100MS/s minimalno.... Mjerenja ispod minimumskog zahjeva(analogna propusnost osciloskopa i sondi, broj uzrokovanja), neće dati točne i precizne rezultate te se nebi trebali uzeti u obzir kao mjerodavan i točan rezultat.

Tehnike ispitivanja

Kapacitivni filter, 20Mhz limit – Kapacitivni filter se sastoji od paralelne kombinacije 0,1uF keramičkog kondenzatora te 10uF tantalum kondenzatora ESR vrijednosti između 0.2-0.4Ohm-a. Kondenzatori se moraju nalaziti neposredno uz izlazne kontakte uređaja dok se sonde spajanju na kondenzator 0.1uf te se time ostvaruju najtočniji rezultati. Analogna propusnost je limitirana s 20Mhz low pass filterom ugrađenim u osciloskop.

Mjerne sonde

Za točne i precizne rezultate mjerenja u većini slučajeva će biti neophodno 50ohm okruženje.

Što bi značilo da rezultati mjerenja sondama visoke impedancije neće dati točne i pouzdane rezultate. Prilikom mjerenja signala male amplitude poput ripple-a uporaba vrlo česte 10x sonde nije preporučljiva. Razina signala može biti niža od najveće osjetljivost sonde i osciloskopa. Dakle 10x sonda oslabljuje signal za faktor 10 ali isto tako podiže razinu šuma za isti faktor. (ripple)

10x vs diff1

Slika prikazuje izgled identičnog valnog oblika mjeren s 10X pasivnom sondom(žuto) te 1141a 1X  diferencijalnom sondom(roza). Može se vidjeti znatno odstupanje izmjerene vrijednosti kao i znatno veća razina buke promatranog signala.

Za mjerenje ripple-a bi se trebala koristi 1X sonda idealno u 50ohm okruženju, idealno differencijalna sonda.

Pasivna 1X sonda u nekim slučajevima može dati dobre rezultate ali mora biti odgovarajuće propusnosti, dakle 20Mhz. Vrlo česte sonde s izborom 1X-10x najčešće imaju limitiranu propusnost znatno manju nego deklariranu na 10X odabiru. Za primjer Rigol sonda 1x-10x RP2200 je deklariana na 150Mhz što je više nego dovoljno ali na 1X ista sonda ima propusnost tek 7Mhz. Stoga takve sonde nisu prikladne za ova mjerenja.

scope 1

1x20Mhz

Na slikama gore je mjerena amplituda signala iste amplitude(100mv) ali različite frekvencije(100kHz te 20MHz) s istom mjernom sondom UT-P05. Na gornjoj slici mjerena amplituda signala je 103mV dok na slici dolje izmjerena amplituda signala iznosi tek 31,598mV. Dakle signal je reduciran na trećinu radi limitirane propusnosti mjerne sonde na 1X području. Isti rezultati su očekivani mjerenjem ripple vrijednosti radi čega takve sonde nisu prikladna za mjerenja ripple vrijednosti.

1X diferencijalna aktivna sonda poput Hp 1141a je najbolji izbor jer je analogna propusnost 200Mhz na 1X te radi u 50ohm okruženju.

Za potrebe mjerenja znatno viših frekvencija (2Ghz) Keysight N7020A.

IMG 3689

Pri upotrebi pasivnih sondi "ground lead" zbog svoje dužine se ponaša kao antena. "ground lead" bi trebao biti što kraći kako bi se izbjegli neželjeni efekti. Od tehnika se upotrebljuje "tip and barrel" a ukoliko to nije moguće tehnika " ground spring" će dati zadovoljavajuće rezultate(slika dole).

IMG 3692

Razlika između dvije tehnike u dobivenim rezultatima je više nego značajna.

gl

bez gl

Na slici gore je mjeren ripple testnog uređaja s dugačkom "ground lead", izmjerena amplituda signala je 191mV, dok na drugoj slici (dolje) možemo vidjeti rezultate mjerenja s "ground spring" tehnikom. Rezultat je značajno niža izmjerena amplituda signala, 148mV. Iz slika se također može vidjeti značano povećanje šuma u sistemu koje u stvari ne generira samo napajanje već testni sistem radi neadekvatne tehnike.

Pitanje antene nas vodi do pitanja nemodularnog napajanja te svih priključaka koji eventualno nisu spojeni i ponašaju se kao antene. Kod diferencijalnog mjerenja ripple vrijednosti, to nas ne zabrinjava zbog prirode samog diferencijalnog signala te načina na koji diferencijalna sonda radi. Diferencijalne sonde se također deklariraju prema CMRR. CMRR 1141a diferencijalne sonde je 3000:1.

Što znači da će Sonda odbaciti u navedenom omjeru signal koji je generiran putem tih vodova "u zraku", a mjeriti će samo razliku stvarnog signala. Za ovaj test sam iskoristio EM zračenje CCFL invertera prijenosnog računala.

IMG 3695

Dvadesetak centimetara dugačak dupli vodić s jedne strane pozicioniran neposredno uz CCFL inverter dok s druge strane je priključena sonda koja mjeri amplitudu čak 5v p-p. Nakon čega je diferencijalno mjerena amplituda ripple s i bez vodića.

IMG 3644

s antenom

Izmerene vrijednosti su 117mV p-p

bez antene

Bez vodića koji nam prestavlja antenu amplituda p-p iznosi 119mV p-p. Razlika izmjerenih vrijednosti je zanemariva, mada se ipak vidi nešto viša razina buke u prvom primjeru s "antenom". Razlog tome je što mjerna oprema nije savršena, kada bi bila CMRR bi bio beskonačan a razlike u dobivenim rezultatima nebi bilo. Upravo iz ovog primjera možemo zaključiti zašto Intel u ATX specifikacijama preporuča diferencijalno mjerenje ripple signala.

Atx standard

Nakon kratkog uvoda cijelu testnu metodologiju za ATX napajanja ću raditi na Corsair Vegeance 400w IMG 3696

Za verifikaciju ripple vrijednosti prema ATX standardu Intel preporučuje gore opisanu metodu mjerenja s kapacitnim filterom te unutar analogne propusnosti od 20Mhz. Za preporuku navodi Hp1141a ili Tektronix p6046. Dakle aktivne diferencijalne sonde koje rade u 50ohm okruženju.

Ripple ATX napajanja se sastoji od dvije komponente na dvije različite frekvencije. 100Hz te druge na frekvenciji switch dijela, obično od oko 50-100kHz. 100Hz ripple predstavalja ripple iz primarnog dijela s obzirom da se Ac ispravlja i filtrira u primarnom dijelu te time pretvara u Dc. Ispravljanje je punovalno pa radi toga se je frekvencija 2x od glavne mreže.

Ripple se mjeri u tom frekventnom rasponu jer je to najgori mogući scenarij ali radi detaljnijeg uvida preporučljivo je prikazati valni oblik unutar oba frekventna raspona.

NASTAVAK SLIJEDI USKORO