Transienten-Prüfplattformen und Automatisierungstechniken für LDOs und Abwärtswandler

Transienten-Prüfplattformen und Automatisierungstechniken für LDOs und Abwärtswandler

 Überholte Prüfanordnung für Transiententests 
A. Emitterfolger und ein Impulsgenerator erzeugen die stufenförmige Änderung von VIN für die Transiententests 
B. Bei dem Prüfling handelt es sich um ein LDO Evaluation Board (EVB)
C. Leiterplatte für den NMOS-Schalter zum Erzeugen der Lasttransienten. Während der Netztransienten-Tests liegt eine konstante Last an. (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

Überholte Prüfanordnung für Transiententests
A. Emitterfolger und ein Impulsgenerator erzeugen die stufenförmige Änderung von VIN für die Transiententests
B. Bei dem Prüfling handelt es sich um ein LDO Evaluation Board (EVB)
C. Leiterplatte für den NMOS-Schalter zum Erzeugen der Lasttransienten. Während der Netztransienten-Tests liegt eine konstante Last an. (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)


Mobile Prozessoren in drahtlos kommunizierenden Geräten arbeiten mittlerweile im Gigahertz-Bereich. Zusätzlich verlangen die Konsumenten zunehmend nach höherer Leistungsfähigkeit, längerer Batterielebensdauer, kleineren Abmessungen und niedrigeren Kosten. All dies führt dazu, dass das Design von Power-Management-Schaltungen immer mehr zu einer Herausforderung wird. Low-Dropout-Regler (LDOs) und Schaltregler sind unverzichtbare Komponenten portabler Systeme mit eigenständigen Reglern und Power Management Units (PMUs). Die in schnellen, portablen Kommunikationsgeräten eingesetzten Regler müssen immer kürzere Ansprechzeiten erzielen. Damit die Zuverlässigkeit der Power-Management-Produkte gewährleistet ist, muss die Leistungsfähigkeit der Regler unbedingt rigoros getestet werden. Zu den entscheidenden Performance-Parametern gehören unter anderem die Netz- und Lastregelungs-Eigenschaften, das Anlaufverhalten und die Reaktion auf netz- und lastseitige Transienten. Voraussetzung für eine gründliche Analyse dieser Parameter ist die Verfügbarkeit neuester Tools für die Hardware-Prüfplattform und die Verwendung einer ausgereiften Methodik. Die Tools ermöglichen nicht nur eine hohe Genauigkeit und hohe Abtastraten bei der Charakterisierung der einzelnen Parameter, sondern unterstützen außerdem Automatisierungstechniken, die die Prüfabläufe einerseits schneller machen und andererseits für reproduzierbare Ergebnisse sorgen.
 Transienten-Prüfvorrichtung mit LDO-EVB (blaue Leiterplatte) (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

Transienten-Prüfvorrichtung mit LDO-EVB (blaue Leiterplatte) (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

Implementierung wiederverwendbarer Prüfvorrichtungen mit hoher Flankensteilheit

Um die entscheidenden Kenngrößen eines Reglers präzise zu erfassen, ist es notwendig, die Netzspannung und den Laststrom in Stufen zu variieren, die bezogen auf die Ansprechzeit der Regelschleife des Reglers schnell sind. Laborausrüstungen und viele kommerzielle Instrumente, in denen Operationsverstärker, passive Bauelemente und umfangreiche Treiberketten zum Einsatz kommen, erreichen bei großen Signaländerungen unter Umständen nur begrenzte Anstiegs- und Abfallzeiten. Wenn also hohe Flankensteilheiten sowohl bei den Lasttransienten (>>1 A/µs) als auch bei den Netztransienten (>>0,1 V/µs mit Eingangskondensatoren) erzielt werden sollen, ist es praktisch unmöglich, auf handelsübliche Produkte zurückzugreifen. Ein Stimulussignal mit unzureichende Steilheit kann auch einen mangelhaften Regler gut erscheinen lassen. Fortgesetzte Forschung und Entwicklung brachte deshalb einfachere Designs hervor, die geringe parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten aufweisen und sich einfach in großer Zahl für Design- und Applikationslabors herstellen lassen. Dennoch ist die Arbeit mit dem Anfertigen einer guten Prüfvorrichtung nur halb getan. Um für ein optimales Verhalten zu sorgen, muss der Prüfling außerdem korrekt mit der Leiterplatte verlötet (oder ersatzweise gesockelt) werden. Wichtig sind ebenfalls korrekte Stromversorgungs- und Masseverbindungen, Bypass-Schaltungen, Ladungsreservoirs und externe Bauelemente. Schließlich geht es darum, die Eigenschaften des Prüflings festzustellen und nicht die Parasitics oder andere unerwünschte Effekte, die durch ungeeignete Bauteile oder unzureichendes Layout hervorgerufen werden.

 Unterseite der LDO-Prüfvorrichtung
A. NFET-Schalter zum Erzeugen der Laststufen (unter den Widerständen) 
B. Relais zum Auswählen der Last 
C. NPN-Folger
D. 48 mA Relaistreiber (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

Unterseite der LDO-Prüfvorrichtung
A. NFET-Schalter zum Erzeugen der Laststufen (unter den Widerständen)
B. Relais zum Auswählen der Last
C. NPN-Folger
D. 48 mA Relaistreiber (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

Probleme und Grenzen der Prüf-Hardware

Bei der Lasttransienten-Prüfung liegt der Eingang des Reglers an einer Konstantspannungs-Quelle, während der Ausgang schnell auf eine größere ohmsche Last oder Stromsenke umgeschaltet wird. Ähnlich läuft der Netztransienten-Test ab. Hier wird der Reglereingang mit einer schnellen stufenförmigen Änderung der Netzspannung konfrontiert, während am Ausgang eine konstante Last liegt. Bild 1 zeigt eine typische Anordnung für Transiententests. Die relativ modulare Anordnung erlaubt einen einfachen Zusammenbau. Die langen Kabel mögen bei der früher üblichen Technologie noch hinnehmbar gewesen sein. Für heutige Anforderungen ist eine solche Lösung mit ihren Parasitics und Masseschleifen, sowie höheren Spannungen und Strömen jedoch ungeeignet.

 Schaltplan der LDO-Prüfvorrichtung (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

Schaltplan der LDO-Prüfvorrichtung (Bild: Texas Instruments Deutschland GmbH)

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Texas Instruments Deutschland GmbH
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