Messungen an LDOs - All
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Messtechnik Erfordert mehr Bandbreite als man denkt Messungen an LDOs Die Qualität von Spannungsreglern ist oft entscheidend für die Leistung der von ihnen versorgten Schaltung. Viele wichtige Parameter dieser Spannungsregler werden entweder vom Hersteller nicht spezifiziert oder nur unzureichend bzw. irreführend angegeben. Dies erfolgt oft wegen der limitierten Bandbreite der beim Hersteller für die Tests zur Verfügung stehenden Messgeräte. Jetzt gibt es Abhilfe. In diesem Artikel betrachten wir, welche Rolle bestimmte Parameter (z. B. die Signalgenauigkeit und -qualität) bei der Charakterisierung eines Reglers spielen. Außerdem wird die tatsächliche Performance mit den im Datenblatt spezifizierten Daten des Musters verglichen. Um sicherzustellen, dass die vorgestellten Messungen auch von Labors mit kleinen Budgets durchgeführt werden können, werden kostengünstige, jedoch hochgenaue Instrumente verwendet. Das verwendete Equipment ist ein Omicron Lab Bode 100 Vektor-Netzwerkanalysator in Verbindung mit den Picotest Signalinjektoren der J2100A Serie und einem Picotest G5100A Funktionsgenerator. Zur umfassenden Charakterisierung eines Spannungsreglers wird die Stabilität unter Verwendung von Bode Plots, Ausgangs­ impedanz, Lastsprungantwort, PSRR und Rückflussdämpfung gemessen (PSSR = power supply rejection ratio, Deutsch: Einfluss von Änderungen in der Versorgungsspannung auf die Ausgangsspannung). Als Messobjekt wurde der LM317 Spannungsregler ausgewählt, da er Zugriff auf den Rückkopplungsteiler bietet und industrieweit eingesetzt wird. Viele andere Regler würden vergleichbare Ergebnisse liefern. Instabilität) von Spannungsreglern. Einige Firmen haben spezielle Stabilitätsvorschriften wie z. B. 45 Grad Phasenreserve und 12 dB Amplitudenreserve. Andere glauben, dass eine Schaltung stabil ist, wenn sie nicht schwingt. Das mag zwar zutreffend sein, jedoch hat eine zu gerin- gen Phasenreserve weitreichende Folgen, welche im nach hinein nur schwer zu quantizifizieren sind. In vielen Fällen sind die erforderlichen Anschlüsse zur Messung der Stabilität von Spannungsreglern nicht verfügbar. Das trifft immer bei Festspannungsreglern zu, Bild 1: Das Bode Diagramm wurde unter Verwendung des Picotest J2101A Breitband Einspeiseübertragers mit dem Omicron Lab Bode 100 Netzwerkanalysator erstellt. (Alle Bilder: Omicron) Stabilität Es gibt keinen universell anerkannten Standard zur Messung der Stabilität (oder ˘ AUTOREN Steve Sandler, CEO of Picotest.com Bernhard Baumgartner, Business Manager Omicron Lab Charles Hymowitz, Managing Director AEi Systems. Bild 2: Lastsprungantwort für unterschiedliche Werte der Zeitbasis des Oszilloskops. 62 elektronik industrie 10 - 2010 Messtechnik da der Ausgangsspannungsteiler im Bauteil liegt und deswegen nicht auf ihn zugegriffen werden kann. In solchen Fällen wird als Notlösung meist die Lastsprungantwort gemessen und von dieser eine Stabiltätsabschätzung abgeleitet. (Siehe Abschnitt „Lastsprungantwort“ weiter unten). Die Regelschleife bestimmt viele der Leistungsmerkmale des Spannungsreglers, einschließlich der PSRR, der Lastsprungantwort und der Ausgangsimpedanz, um nur einige zu nennen. Das Datenblatt des LM317 definiert keine Stabiltätsbereiche und auch keine anderen Daten zur Phasenreserve oder Amplitudenreserve als Funktion von Eingang und Last. Die meisten Datenblätter vermeiden spezifische Informationen über die Stabilität. Gegebenenfalls wird, abhängig vom Hersteller des Bauteils, eine Empfehlung zur Auswahl der Ausgangskapazität bereitgestellt. Dies geschieht meist in Form von subjektiven Beschreibungen über die Selektion der Ausgangskapazität unter Berücksichtigung des Dielektrikums und des ESR (Equivalent Series Resistance). Der ESR von Kondensatoren selbst ist oft spärlich spezifiziert, meist nicht kontrolliert und hat einen sehr großen Toleranzbereich. Viele in Herstellerdatenblättern enthaltene Daten (jedoch nicht die der Stabilität) wurden ohne Ausgangs- oder Abgleichskondensator erhoben. Aus diesem Grund wurden die Bode Plots in diesem Artikel ebenfalls ohne Ausgangs- oder Abgleichskondensator gemessen. Das Bode Diagramm in Bild 1 wurde unter Verwendung des Picotest J2101A Breitband Einspeiseübertragers mit dem Omicron Lab Bode 100 Netzwerkanalysator erstellt. Die Reglerlast bildet ein Picotest J2111A Solid State Strominjektor, da dieser auch zur folgenden Ausgangsimpedanz- und Lastsprungantwortsmessung verwendet wird und für den Regler eine vernachlässigbare Kapazität darstellt. Elektronische Lasten können substantielle Kapazitäten enthalten, wodurch eine Messung ohne Lastkapazität unmöglich wird. Das Ergebnis des Bode Plot zeigt, dass die Bandbreite des Reglers bei diesem Betriebsstrom etwa 5 MHz beträgt und die Amplitudendurchtrittsfreqeunz 6,4 MHz beträgt, was eine Messbandbreite größer 6,4 MHz erforderlich macht. elektronik industrie 10 - 2010 Das Hinzufügen einer Ausgangskapazität reduziert die Bandbreite, jedoch hängt eine Verbesserung der Stabilität primär vom ESR des Kondensators ab. Lastsprungantwort Die Lastsprungantwort wird oft zur zusätzlichen Einschätzung der relativen Stabilität von Spannungsreglern verwendet. Wenn auf den Rückkkoplungsteiler des Reglers nicht zugegriffen werden kann, dient die Lastsprungantwort zur Evaluierung der Stabilität des Reglers. Dies birgt jedoch einige Risiken: Die Daten werden oft für große Lastsprünge angegeben z. B. ein Sprung von Null bzw. Minimallast auf Maximalbelastung. Diese Methode schließt oft Großsignaleffekte ein, die nicht dafür geeignet sind um die Stabilität des Regelkreises zu beurteilen. Die Messergebnisse sind also beeinflusst durch viele andere Limitierungen der Messung, wie Abtastrate Zeitbasis und Anstiegszeit des Lastsprungs. In vielen Fällen bieten elektronische Lasten keine akzeptablen Anstiegszeiten und stellen teilweise eine signifikant kapazitive Last für den Regler dar. Bild 2 zeigt die Lastsprungantwort für unterschiedliche Werte der Zeitbasis des Oszilloskops. Dies zeigt wie einfach es ist, eine Lastsprungantwort falsch zu interpretieren wenn falsche Einstellungen gewählt wurden. Der J2111A Strominjektor wird für diese Messung verwendet, da er eine vernachlässigbare Kapazität bis 40 MHz bietet und die Stromsignale 20 ns Anstiegs- und Abfallzeit haben. Als Quelle wird ein Picotest G5100A Funktionsgenerator verwendet. Außerdem wird ein 1 GHz DSO60104A Agilent Oszilloskop eingesetzt, da es 4 GHz Samplingrate bietet, um sicherzustellen, dass keine Daten der Messung verloren gehen. Um die Messung durch den Tastkopf möglichst wenig zu beeinflussen, wird eine Agilent 1157A 2 GHz Aktive Probe verwendet. Die Einschwingzeit nach Laständerung ist kein zuverlässiger Indikator für die Stabilität, da die Ergebnisse von vielen Parametern stark beeinflusst werden. Dies bedeutet auch, dass es einfach ist ein fehlerhaftes Ergebnis zu erhalten das in die Irre führen kann. Es ist auch ersichtlich, dass sich zwei unterschiedliche Sprungantworten erge- ˘ 63 Messtechnik reich beurteilt. Die Ausgangsimpedanz bietet weniger Interpretationsspielraum, da sie von weniger Parametern abhängig ist. Beispielsweise haben Anstiegsrate, Abtastrate und Zeitbasis keinen Einfluss auf die Ausgangsimpedanz. Die Ausgangsimpedanz wird mit einem J2111A Strominjektor und dem OMICRON Lab Bode 100 Netzwerkanalysator im Bereich von 1 Hz bis 40 MHz gemessen. Bild 3 zeigt die Ausgangsimpedanz des LM317 in dBOhm. Bild 3: Ausgangsimpedanz des LM317 in dBOhm. PSRR Eine Messung, die vielen IngenieureProbleme bereitet, ist die Messung des PSRR, da nur wenige Signalinjektoren für diese Messung entwickelt wurden. Herkömmliche Methoden dafür sind der Gebrauch von Einspeiseübertragern oder AudioVerstärkern. Keine dieser Methoden ist akzeptabel, da sie fehlerhafte Daten erzeugen. Ein Einspeisetransformator ist ein sehr empfindliches Gerät, welches schon bei geringen Strömen in Sättigung geraten kann, und dann eine geringe Bandbreite aufweist. Bei zu hohen Strömen kann der Kern dauerhaft magnetisiert werden und somit den Übertrager unbrauchbar werden. Ein Audio-Verstärker umgeht das Problem der Sättigung, zeigt aber ebenfalls eine ge­ ringe Bandbreite. Für die folgende PSRR Messung wurde ein Picotest J2120A „Line Injektor“ verwendet, welcher eine Bandbreite von 1 Hz bis 40 MHz bietet. Für Vergleichszwecke wurde ein Texas Instrument TPS7A8001 High PSRR Regler gemessen. Bild 4: Ergebnis der PSSR-Messung. Rückflussdämpfung Bild 5: Ergebnis der Rückflussdämpfungsmessung. ben. Die „natürliche“ und die „erzwungene“. Die natürliche Antwort ergibt sich durch eine Anregung die signifikant unterhalb der Bandbreite des Reglers liegt, während die erzwungene Antwort auftritt, wenn die Frequenz der Anregung im Bereich der Reglerbandbreite liegt. Die erzwungene Antwort ist generell viel größer als die natürliche Antwort, wobei Datenblätter meist die natürliche Antworte zeigen. Eine abschließende Beobachtung zeigt, dass die Frequenz und Amplitude des Überschwingens vom Laststrom an- 64 hängen. Eine Veränderung im Laststrom kann eine amplituden- und frequenzmodulierte Lastschrittsprungantwort erzeugen, gegen die sensible Schaltungen wie LNAs und Oszillatoren empfindlich sind. Die Am­plituden- und Frequenzmodulation trägt auch zum EMV-Verhalten des Systems bei. Ausgangsimpedanz Die Ausgangsimpedanz hängt mit der Sprungantwort zusammen, jedoch wird die Ausgangsimpedanz im Frequenzbe- Ein Parameter, der oft übersehen wird und der selten im Zusammenhang mit Spannungsreglern genannt wird, ist die Rückflussdämpfung. Die Rückflussdämpfung entspricht dem Verhältnis von Eingangsstrom zu Ausgangsstrom. Aus verschiedenen Gründen ist dies ein wichtiger Parameter. Der Rückfluss führt dazu, dass Änderungen am Ausgang zu Störungen am Eingang führen. Viele Systeme enthalten mehrere Regler, die von derselben Versorgung gespeist werden. Der Rückfluss in Verbindung mit der Eingangsquellenimpedanz, führt zu einem Spannungssignal, welches sich der Eingangsspannung elektronik industrie 10 - 2010 Messtechnik überlagert. Dieses Signal beeinflusst somit alle anderen Spannungsregler was sich wie eine Art Übersprechen auswirkt. Schlussbemerkung Man sieht, dass sogar ältere Spannungsregler wie der LM317 eine Bandbreite von 5 MHz haben und deshalb für die Messung ein Netzwerkanalysator mit 20 MHz notwendig ist. Einige neue Regler arbeiten mit Frequenzen von mehr als 10 MHz, was eine Messbandbreite von 40 MHz erfordert. Kann eine konventionelle Stabilitätsuntersuchung des geschlossenen Regelkreises nicht durchgeführt werden, bietet die Messung der Ausgangsimpedanz eine bessere Methode der Stabilitätsabschätzung als die Lastsprungantwort, da das Ergebnis von weniger Parametern beeinflusst wird und somit nicht auf teure Oszilloskope und aktive Tastköpfe zurückgegriffen werden muss. Die Injektoren der Picotest J21xxA Serie, bieten in Verbindung mit dem Lab Bode 100 die notwendige Genauigkeit und Bandbreite, um korrekte Ergebnisse, selbst bei hohen Bandbreiten die ohne Ausgangskondensator auftreten, zu erzielen. Ein Vergleich der Messergebnisse mit den Werten aus dem LM317 Datenblatt offenbart einige Unzulänglichkeiten des Datenblatts. Speziell die Lastsprungantwort wird durch die Anstiegsrate begrenzt und ist eher Großsignal- als Kleinsignalabhängig. Ausgangsimpedanz und PSRR gehen im Datenblatt nur bis 1 MHz, was unterhalb der Bandbreite des Reglers liegt und deswegen nicht den negative Einfluss der geringen Phasenreserve beinhaltet. Das Datenblatt enthält keine Stabilitätsdaten. Die Stabilitätsuntersuchungen zeigen eine sehr geringe Phasenreserve. Dies spiegelt sich in den Eigenschaften des geschlossenen Regelkreises wie Lastsprungantwort, Ausgangsimpedanz, PSSR und Rückflussdämpfung wider. Diese schlechten Eigenschaften machen sich im Stromversorgungssystem sowohl als EMI sowie als Übersprechen bemerkbar. Des Weiteren kann das System durch Amplituden- und Frequenzmodulation bei dynamischen Lastwechseln beeinflusst werden. Um eine gute Systemleistung sicher zu stellen, ist es essentiell, dass diese Messungen mit einer hohen Genauigkeit ermittelt werden, bei der die Bandbreite des Reglers mindesten erreicht, besser noch überschritten wird. Da die dem Spannungsregler vor- und nachgelagerten Schaltungsteile eine entscheidende Rolle für die Reglercharakteristik spielen, ist es essentiell, dass die beschriebenen Messungen im fertigen Schaltungsdesign durchgeführt werden. Viele der Injektoren der J21xxA Serie können zusammen mit dem Omicron Lab Bode 100 dazu verwendet werden, um die beschriebenen Messungen, nicht invasiv, im Gesamtsystem durchzuführen. Weitere Information sind in technischenWhitepapers und Applikationschriften bei Picotest.com, AEiSystems.com und omicronlab.com erhältlich. (sb) ˘ infoDIRECT 425ei1010 ˘ Link zu Omicron www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 10 - 2010