Medir los componentes de la integridad de las señales (SI) de las redes de suministro de potencia, como el rizado, el ruido y los transitorios de conmutación, es cada vez más importante, ya que los requisitos de tolerancia de la normativa para DC van en aumento. A medida que las tensiones de suministro se reducen para minimizar el consumo, muchos de los estándares de señales utilizados para placas de PC muestran una tendencia a ofrecer tolerancias de hasta un < +/-5 %. Los últimos estándares permiten unas mínimas variaciones de tensión en el receptor, pero exigen una potencia muy limpia, con tolerancias muy estrictas en cuanto a rizado y ruido. Así, los ingenieros de integridad de potencia se enfrentan a unos requisitos de ruido cada vez más restrictivos para el funcionamiento de los dispositivos de potencia.
Este artículo describe técnicas eficaces para medir transitorios de conmutación, ruido y rizado de salida en carriles de alimentación utilizando un osciloscopio y una sonda.
Dificultades de las medidas basadas en osciloscopios
Los osciloscopios en tiempo real suelen utilizarse para medir la integridad de las señales en redes de suministro de potencia porque ofrecen vistas de las señales en el dominio del tiempo y de la frecuencia, ancho de banda, potentes funciones de medida integradas y capacidad de sondar las señales con componentes con baja tensión parásita. Además, los osciloscopios ofrecen información inigualable a la hora de identificar las causas del ruido. Sin embargo, ciertos problemas hacen difícil utilizar los osciloscopios para medir la integridad de la alimentación.
- Para ver el rizado y el ruido pequeños en la salida de un carril de alimentación, tenemos que eliminar el componente DC de una señal y llegar a ver las minúsculas señales AC con unos ajustes de escala vertical más sensibles, por ejemplo, a 1 mV/div o 2 mV/div, para poder realizar medidas más precisas en la señal AC y reducir el impacto del ruido del osciloscopio en la medida. Esto suele hacerse con un acoplamiento AC de las señales de entrada que se ofrecen únicamente en la entrada de 1 MΩ del osciloscopio.
- En la entrada de 1 MΩ del osciloscopio, el ancho de banda del osciloscopio suele estar limitado a 500 MHz o menos, lo que no basta para ver los componentes de alta frecuencia (> 500 MHz) de los comportamientos de integridad de potencia.
- Para ver el contenido de alta frecuencia, los usuarios se ven obligados a ajustar la entrada del osciloscopio a 50 Ω y utilizar una sonda terminada de 50 Ω.
Cuestión de sondar
Para medir el ruido en redes de suministro de potencia, en muchos casos se ha utilizado un simple cable coaxial de 50 Ω con terminación pigtail o pequeñas clavijas Pogo. Este tipo de sonda ofrece 50 Ω de impedancia de entrada hasta DC. Como la impedancia de salida de una fuente de alimentación DC regulada tiende a cero, utilizar una carga de salida de 50 Ω no debería ser un problema. Si tenemos una salida de fuente de alimentación de 1 V con una carga de 50 Ω (sonda), consumirá tan solo 2 mA de corriente.
Para eliminar el componente de DC de una señal de salida del carril de alimentación, a menudo se utiliza un condensador de bloqueo DC colocado entre la sonda y el osciloscopio. Esto suele funcionar, pero, al utilizar un condensador de bloqueo DC, se pueden eliminar componentes AC de baja frecuencia al mismo tiempo que los componentes DC. Así, las medidas realizadas con el condensador de bloqueo DC podrían pasar por alto el contenido de baja frecuencia, ofreciendo poca precisión en las medidas. Un condensador de bloqueo DC C colocado en serie con el enlace serie creará un filtro de paso alto sencillo con una constante de tiempo.
La nueva sonda para carriles de alimentación N7020A de Keysight constituye una nueva solución innovadora para solventar este problema. Cuando la sonda se conecta a un osciloscopio Keysight compatible, el control de offset vertical del osciloscopio controla el offset de la sonda, y el offset de canal del osciloscopio se ajusta a cero. De esta forma, la tensión DC de la fuente de alimentación de la señal se puede sustraer de la señal de offset suministrada por el osciloscopio a través de la sonda antes de que dicha señal llegue al amplificador de la sonda. Como la sustracción de la tensión DC tiene lugar antes de los circuitos activos de la sonda, puede ajustarse un rango de offset de la sonda de hasta +/-24 V; es decir, se pueden medir pequeños componentes AC de un máximo de +24 V o un mínimo de -24 V con la señal centrada en la pantalla y ajustando la escala vertical a una sensibilidad que permita ver y medir las señales con precisión. Esta es una forma muy eficaz de eliminar el componente DC de una salida de carril de alimentación y extraer el pequeño componente AC.
El ruido en sondas y osciloscopios
Las sondas y los osciloscopios en tiempo real tienen su propio ruido, que también debemos tener en cuenta. Si el ruido que intentamos medir en la salida del carril de alimentación es similar o superior al nivel de ruido de la sonda y el osciloscopio, será complicado medir el ruido de forma precisa. Lo primero y más importante al elegir el osciloscopio para medir una red de suministro de potencia es que tenga un nivel de ruido bajo y una resolución vertical alta. Las prestaciones de ruido y resolución de un osciloscopio suelen estar caracterizadas y publicadas en su ficha de datos o en su manual de usuario. Un osciloscopio convencional tiene 8 bits de resolución vertical y se caracteriza por el número de resolución A/D. No obstante, los osciloscopios modernos, como los de la Serie S de Keysight, presentan 10 bits de resolución A/D y un nivel de ruido bajísimo, lo que les permite ofrecer el cuádruple de resolución que un osciloscopio con 8 bits ADC.
En ocasiones, al conectar una sonda común con un osciloscopio, este último ofrecerá un mayor nivel de ruido. Al comprar un osciloscopio en tiempo real, este normalmente cuenta con una sonda pasiva 10:1 por cada canal, algo excelente para la medición general de señales con un amplio rango dinámico de entrada, aunque no será lo más adecuado para medidas de baja tensión, como sucede con la salida de un carril de alimentación. El culpable es el factor de atenuación de la sonda. La atenuación de sonda contribuye a ampliar su rango dinámico, lo que permite al usuario medir señales de mayor amplitud. En cambio, al medir señales de baja tensión, la sonda atenúa la señal y, a continuación, el osciloscopio la amplifica, lo que reduce la relación señal-ruido de la medida. Por este motivo, una sonda con una relación de atenuación baja será una elección más acertada para medir tensiones bajas.
Otros consejos de medida para facilitarnos el trabajo
En primer lugar, en muchas medidas de carril de alimentación, el rizado y el ruido se especifican con un límite de ancho de banda de 20 MHz para impedir la captación de ruido de alta frecuencia inexistente. En el osciloscopio utilizado para realizar la medida debe ajustarse un límite de ancho de banda adecuado.
En segundo lugar, el área de bucle formada por un cable de masa de la sonda puede ser una fuente importante de captación de señales electromagnéticas. Procure que el área de bucle de la conexión sea lo menor posible y que la conexión a masa sea de baja inductancia. Si fuera posible, coloque la sonda directamente enfrente del condensador de salida de la fuente de alimentación para reducir el tamaño del bucle. Además, de este modo también se reducirá la longitud de la punta expuesta a la alta radiación electromagnética cerca de la fuente de alimentación, reduciéndose así también la captación.
En tercer lugar, el análisis en el dominio de la frecuencia de un osciloscopio utilizando la función FFT suele ofrecer más información sobre la señal de ruido detectada. La FFT nos ofrecerá información rápida sobre el origen de los picos transitorios, el ruido y el rizado de su circuito.
Por ejemplo, si utiliza una fuente de alimentación conmutada con una frecuencia de conmutación determinada y un reloj, verá espurias en la frecuencia de conmutación y la frecuencia de reloj en la vista de dominio de la FFT.
Conclusión
Elegir y utilizar correctamente una sonda y un osciloscopio le permitirán conocer rápidamente las causas de los problemas de integridad de las señales en una red de suministro de potencia. Tenga en cuenta los consejos y las técnicas descritos en este artículo.
