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miércoles , octubre 28 2020
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Optimización de la calidad de las fuentes de alimentación con grandes transitorios de carga

Los circuitos integrados (CI) de hoy en día funcionan con mayor rapidez que nunca. La aceleración de la velocidad de funcionamiento puede dar lugar a una demanda de alimentación muy dinámica de la fuente de alimentación, lo que supone todo un desafío durante las pruebas si la potencia se alimenta utilizando fuentes programables. Las formas de onda de corriente de alta velocidad pueden provocar caídas de tensión en el CI. Si la caída de tensión es muy pronunciada, puede hacer que el microprocesador se reinicialice o provocar anomalías en los resultados de las pruebas. Este artículo explica por qué se produce esa caída de tensión y cómo mitigarla.

 

Optimización del cableado y del condensador de paso

 

En muchos casos, las limitaciones físicas nos obligan a colocar la fuente de alimentación muy alejada de la placa de prueba del CI, lo que conlleva utilizar metros de hilos. La impedancia de los hilos puede degradar con gran rapidez la impedancia de la fuente que llega al CI. Casi todas las fuentes de alimentación programables incorporan entradas de hilos de detección que nos permiten seleccionar el punto de regulación de tensión conectando los hilos de detección en ese lugar. En esta aplicación, el punto de detección estaría lo más próximo posible al CI. Sin embargo, el bucle de regulación de tensión solo puede eliminar los transitorios de tensión en este punto de detección que estén dentro de su propio ancho de banda de control. Un condensador de paso local en el CI puede contribuir a proporcionar baja impedancia a frecuencias en las que la combinación de la salida de la fuente de alimentación y los hilos presenta una impedancia demasiado elevada. 

Veamos una aplicación de 25 A con transitorios de 5 A en la que la fuente de alimentación está establecida en 2,5 V y está conectada a la placa de prueba del CI con un cable de 14 AWG de 1,52 metros. 

Puesto que se trata de una aplicación de baja tensión, por lo general no son aceptables las suboscilaciones de tensión superiores a 100 mV. El cable de 14 AWG tiene una resistencia de 8,2 mΩ por metro, por lo que el trayecto de ida y vuelta entre la salida de la fuente de alimentación y la placa de prueba del CI presenta una resistencia total de 25 mΩ. Como podemos observar, la resistencia de los hilos por sí sola basta para provocar una caída de tensión inaceptable en el CI, mientras que la inductancia de los hilos de aproximadamente 557,75 nH/m no hace sino empeorar las cosas. 

No obstante, la incorporación de un condensador de paso, tal como se ve en la Figura 1, puede aportar una considerable mejora.

La interacción entre el bucle de control de tensión de la fuente de alimentación, la red de hilos y la capacitancia de paso puede resultar algo compleja. Sin embargo, algunas aproximaciones útiles pueden ayudarle con la selección del valor inicial del condensador. 

El proceso será:

1. Calcular la impedancia de pico de la red

Determine la impedancia de pico deseada de la red de hilos y la capacitancia de paso utilizando la ecuación siguiente:

2. Calcular el valor de la capacitancia de paso

Establezca la impedancia de pico deseada que cumpla la ecuación para la impedancia característica del tanque de inductancia-capacitancia (LC) formado por la inductancia de los hilos y la capacitancia de paso. En este ejemplo, suponemos que se usan 4 tiradas de cable de par trenzado para reducir la inductancia en un factor de 4. Resuelva la ecuación para obtener el valor de la capacitancia.

3. Calcular la frecuencia de resonancia del tanque 

Si la impedancia de salida de la fuente de alimentación a la frecuencia de resonancia del tanque es superior a Zpico, debe reducirse la frecuencia de resonancia del tanque aumentando el condensador hasta que se cumpla la condición anterior. 

4. Seleccionar la resistencia equivalente en serie (ESR) deseada del condensador para garantizar el amortiguamiento adecuado del tanque LC

Es fundamental obtener un buen amortiguamiento del tanque resonante, puesto que un tanque con un mal amortiguamiento tenderá a provocar oscilaciones transitorias y también puede tener un efecto desestabilizador sobre el bucle de control de la fuente de alimentación. La combinación de la resistencia de los hilos y la ESR del condensador se encargará de amortiguar el tanque resonante. 

Trataremos de obtener una relación de amortiguamiento de 0,5 para conseguir una respuesta más rápida y una tensión de pico más baja igualando la resistencia del tanque a la impedancia característica del tanque LC. 

En caso necesario, se pueden usar diferentes combinaciones de condensadores en paralelo para lograr la ESR deseada.

 

Resultados

 

La Figura 2 muestra la respuesta de transitorios de tensión observada en la carga cuando se usa la fuente de alimentación DC dinámica N7950A de Agilent Technologies. Este dispositivo está optimizado para funcionar a baja tensión y alta corriente, y ofrece una impedancia de salida muy baja, idónea para esta aplicación. 

Pueden observarse dos de las situaciones descritas en el ejemplo: las dos usan cuatro tiradas de cable de 14 AWB de par trenzado de 1,52 metros, pero una recibe la ayuda del condensador de paso local situado en el dispositivo sometido a prueba (DUT). También se muestra una tercera situación. En ella se utiliza el cuádruple de capacitancia de paso local para reducir la impedancia del tanque en un factor de alrededor de dos.

 

Resumen

 

En este artículo hemos analizado la dificultad de proporcionar una carga muy dinámica con una tensión estable utilizando una fuente de alimentación a varios metros del DUT. 

Aunque la impedancia de los hilos puede degradar en gran medida las prestaciones de respuesta de transitorios de una fuente de alimentación de alto rendimiento, con los métodos de mitigación expuestos podemos obtener las prestaciones necesarias en el DUT. Calcular correctamente la red de condensador de paso del DUT permite mejorar la estabilidad de nivel de tensión sometida a transitorios de corriente rápidos procedentes del DUT. 



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