Análise de designs de potência para SoCs de alta velocidade com conversores buck multifásicos

Sua tarefa

Cada fase de um conversor buck multifásico (conversor intercalado) tem pelo menos um conjunto de transistores de comutação e um indutor. Para se beneficiar das propriedades multifásicas, os tempos de funcionamento das fases são deslocados um em relação ao outro. Na operação em estado estacionário de alta carga, todos os estágios devem estar ativos e igualmente deslocados entre si, com a corrente de alimentação equilibrada entre os estágios. Como resultado, as correntes do indutor também são deslocadas de fase para minimizar o ripple na corrente e na tensão de alimentação. Em altos níveis de corrente, as perdas por condução predominam. Portanto, os conversores buck multifásicos têm eficiência superior e menor dissipação de calor do que os conversores simples, porque a corrente total é distribuída em vários estágios em vez de em um único estágio.

Os conversores buck multifásicos baseados em controladores têm eficiência ainda maior, pois podem ativar dinamicamente estágios durante os períodos de alta carga e removê-los durante os períodos de baixa carga.

Os conversores buck multifásicos também têm uma excelente resposta às etapas de carga. Como os tempos de funcionamento das fases são deslocados uns em relação aos outros, um conversor buck multifásico pode reagir rapidamente a uma etapa de carga ajustando o sinal de modulação por largura de pulso (PWM) para a fase imediatamente após a etapa de carga. Em designs empilhados, o controlador principal fornece o sinal de modulação por largura de pulso para todas as fases. O design mantém um deslocamento de fase predefinido entre os estágios. Os designs multifásicos baseados em controladores podem alinhar dinamicamente as fases ou ativar/desativar os sinais de modulação para os estágios correspondentes, a fim de minimizar ainda mais a subtensão e sobretensão desses transientes de carga.

Embora sejam uma ferramenta poderosa para melhorar o desempenho e a eficiência do design de potência do SoC de alta velocidade, os conversores buck multifásicos podem tornar os testes de validação e depuração mais desafiadores ao analisar o gerenciamento de fases em várias condições de carga estática ou em cenários de etapas de carga dinâmica.

Aplicação

As medições típicas de design de potência com conversores buck multifásicos incluem:

• Medições de eficiência
  O sistema realiza medições de eficiência do conversor buck multifásico em diferentes cargas e em cenários típicos de carga dinâmica.
• Análise da integridade de potência da tensão de alimentação para SoCs de alta velocidade
  As medições em várias condições de carga estática, bem como em cenários de etapas de carga dinâmica, garantem que a tensão da trilha de corrente esteja em conformidade com a tolerância exigida de ruído, ripple, subtensão e sobretensão. As medições geralmente ocorrem nos domínios do tempo e da frequência.

• Análise de fase dos estágios dentro do conversor buck multifásico
  As medições são feitas em condições de carga estática e em cenários de etapas de carga definidas para verificar se os estágios do conversor buck multifásico reagem às etapas de carga com baixa latência e para verificar o gerenciamento geral de fases em todos os estágios.

A solução da Rohde & Schwarz

O osciloscópio da série MXO 58 oferece um total de 8 canais analógicos e larguras de banda de até 2 GHz (modo intercalado). A opção R&S®MXO5-B1 permite que 16 canais digitais sejam adicionados sem sacrificar nenhum dos oito canais analógicos. Graças à aceleração de hardware integrada, o MXO 58 tem uma velocidade e uma taxa de aquisição inigualáveis de até 4,5 milhões de formas de onda por segundo e uma taxa de FFT de até 45.000 FFTs/s.

O instrumento tem um desvio ajustável de até 2 V (a 50 Ω) ou até 5 V (a 1 MΩ), mesmo quando definido para a sensibilidade mais alta de 0,5 mV/div. Juntamente com uma resolução de 12 bits (até 18 bits no modo HD), isso proporciona a máxima precisão para medir pequenos distúrbios na trilha de corrente CC.

O MXO 5 vem de fábrica com um sistema de trigger digital potente e versátil, com todos os recursos incluídos, desde um trigger de borda básico, passando pelo trigger de sequência A/B/R, até triggers de zona potentes. Eventos específicos podem ser capturados ao disparar uma combinação de zonas definidas pelo usuário a partir de diferentes fontes de sinal (formas de onda adquiridas, formas de onda matemáticas ou visualizações de espectro) com o trigger de zona.

Assim como o MXO 5C, o instrumento também está disponível sem tela em um design compacto de 2 U para controle remoto da unidade em aplicações de teste automatizadas.

As perturbações nas trilhas de corrente são medidas de melhor maneira com uma ponta de prova Power Rail, como o R&S®RT-ZPR. Como se trata de uma ponta de prova 1:1, ela tem a sensibilidade necessária para essa medição. A ponta de prova vem com um medidor CC integrado para medir facilmente a tensão CC na trilha de corrente e subtraí-la automaticamente no circuito de compensação. Com isso, a sensibilidade ideal pode ser usada no MXO 5 para medir com precisão os distúrbios em uma trilha de corrente, enquanto ainda mostra os valores CC reais da tensão na trilha. Erros de medição decorrentes de loops de terra na configuração de teste para designs de potência com alta corrente de alimentação são possíveis. A combinação do R&S®RT-ZPR com o isolador coaxial Picotest J2115A reduz significativamente esses erros de loop de terra.

Os efeitos do loop de terra, causados pelos altos níveis de corrente nos vários estágios dos conversores buck multifásicos, também precisam ser levados em consideração ao medir a tensão do nó de comutação. As pontas de prova diferenciais, como o R&S®RT-ZD, eliminam esses efeitos e são ideais para essas medições.

As pontas de prova de corrente R&S®RT-ZCxx e as bobinas de Rogowski podem ser usadas para medir a corrente e calcular a potência instantânea em medições de eficiência energética.

Resumo

Os osciloscópios das séries MXO 5 e MXO 5C são ideais para analisar a integridade de potência em designs de potência de SoC de alta velocidade. Até 8 canais analógicos e 16 canais digitais, assim como uma grande variedade de pontas de prova, ajudam os instrumentos a medir com precisão o ruído, o ripple, a subtensão e sobretensão com excelente sensibilidade. A incomparável velocidade de medição e o potente sistema de trigger detectam com eficiência os distúrbios da trilha de corrente nos domínios do tempo e da frequência para ajudar a analisar os sinais de modulação por largura de pulso (PWM) em todos os estágios de um conversor buck multifásico.