Impulsive Signale Test von AC/DC-Wandlern

Umweltinitiativen und Energieeffizienz-Standards haben Entwicklungsabteilungen weltweit motiviert, nach neuen Möglichkeiten zu suchen, um effizientere Halbleiterbauteile und integrierte Schaltungen zu entwickeln. Auch in industriellen Anwendungen wird versucht, den Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen und Umrichtern stetig zu verbessern. Bei kommerziellen und Heim-Anwendungen führt die steigende Nachfrage nach Leuchtdioden zur verstärkten Entwicklung spezieller AC/DC-Wandler zur Ansteuerung dieser DC-Bauteile, wobei die Pulsbreitenmodulation zum Dimmen verwendet wird. Bei derartigen Anwendungen müssen die im Endprodukt enthaltenen einzelnen Bauelemente auch mit Hilfe von Impulsen getestet werden.

Reine DC-Testinstrumente können an die Bauteile zu viel Leistung abgeben, sodass sich die Bauteilcharakteristik durch eine zu hohe Wärmeentwicklung verändern kann. Um das wirkliche Verhalten der Bauteile ohne den Einfluss einer Eigenerwärmung charakterisieren zu können, ist daher eine Impuls-basierende Charakterisierung unumgänglich.

Der Einsatz impulsförmiger Stimulus-Signale erfordert aber eine schnellere Messtechnik.

Keithleys Sourcemeter »2651A« enthält daher sehr schnelle A/D-Wandler. Durch die Möglichkeit, auch asynchron zur Quellenfunktion messen zu können, ist das Modell 2651A für die Charakterisierung transienter Anwendungen geeignet. Die Messung impulsförmiger Signale erfordert jedoch eine ausgefeilte Konfiguration der A/D-Wandler und angepasste Vorgehensweisen.

Schnelle und integrierende ADCs

Konventionelle hochgenaue SMUs (Source Measure Units) arbeiten mit integrierenden A/D-Wandlern (ADC). Ein integrierender ADC bildet den Mittelwert eines Signals über eine gewisse Zeit, die auch als Integrationszeit bezeichnet wird.

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines vereinfachten integrierenden Dual-Slope-ADCs. Diese Art von Wandler funktioniert, indem ein Kondensator mit dem zu messenden Signal aufgeladen wird, dann wird der Kondensator mittels einer Referenzspannung entladen. Das Verhältnis von Lade- und Entladungszeit entspricht dabei dem Verhältnis von unbekannter Spannung und Referenzsignal. Dieses Verfahren bietet den Vorteil einer hohen Genauigkeit und einer ausgezeichneten Störfestigkeit, eignet sich aber nicht für sehr schnelle Messungen.

Die Lade-Entlade-Zyklen für den Kondensator führen zu langen Intervallen zwischen den Messungen. Obwohl beispielsweise das kleinste Integrationsintervall für das Modell 2651A bei 0,001 PLC liegt (16,67 μs für 60 Hz, 20 μs für 50 Hz), beträgt der kleinste Abstand zwischen zwei Messungen 50 μs.

Neben den zwei integrierenden ADCs für Spannung und Strom beinhaltet das Modell 2651A auch noch zwei sehr schnelle Sampling-Wandler, die Signale mit einer Burstrate von bis zu 1 MHz abtasten können. Bei maximaler Erfassungsrate lassen sich bis zu 5000 Messwerte aufzeichnen. Diese A/D-Wandler nutzen eine Abtasttechnologie, die der eines Oszilloskops ähnelt, sodass Momentaufnahmen des Signals aufgezeichnet werden können.

Die sehr schnellen ADCs des Modell 2651A haben eine höhere Auflösung (18 Bit) als ein Oszilloskop (in Mainstream-Geräten 8 Bit), sodass bei einer vergleichbaren Bandbreite eine genauere Charakterisierung von kurzzeitigen Ereignissen möglich ist. Bild 2 veranschaulicht den Unterschied zwischen den integrierenden und den sehr schnellen ADCs.

Da die sehr schnellen Wandler mehr Messwerte innerhalb kurzer Zeit liefern, ist die Genauigkeit und Wiederholbarkeit geringer, als bei den integrierenden ADCs.

Für Anwendungen, die einen höheren Durchsatz erfordern, kann die niedrigere Genauigkeit toleriert oder im Bedarfsfall durch eine Mittelwertbildung mehrerer Messwerte verbessert werden.

Normalerweise sind Messungen, welche die integrierenden ADCs mit einer Integrationsrate von 0,01 PLC oder weniger ausführen, mit den sehr schnellen ADCs mit einer ähnlichen Genauigkeit möglich. Da zwei sehr schnelle Wandler zur Verfügung stehen, können Spannung und Strom gleichzeitig gemessen werden.

Da das 2651A die Strommessung erlaubt, kann man in einigen Anwendungen auf einen zusätzlichen Stromtastkopf oder ein Oszilloskop verzichten.

Die Kombination sehr schneller ADCs mit einem Triggermodell ermöglicht es, Messungen an impulsförmigen Signalen mit präzisem Timing ausführen.

Zusätzlich erlaubt das Instrument die Triggerung von Messungen asynchron zur Quellenfunktion, also beispielsweise vor, während oder nach einem Impuls.

Diese Möglichkeit lässt sich auch mit den integrierenden ADCs nutzen.

Bild 3 zeigt fünf Beispiele für derartige Messungen.

Nachfolgend wird erklärt, wie das Modell 2651A für die jeweiligen Beispielmessungen zu konfigurieren ist.

Bild 4 veranschaulicht die Abhängigkeiten von Impuls, Trigger-Bedingungen und den Messparametern der schnellen ADCs.

Konkrete Anwendungen

In einem ersten Beispiel geht es um die Digitalisierung des Impulsdaches. Einige Anwendungen, etwa die Ermittlung der thermischen Impedanz von Leistungsdioden und LEDs, erfordern eine Charakterisierung der Steigung der gemessenen Spannung des Impulsdaches.

Dies ist auch für die Charakterisierung der Dachschräge der Impulsamplitude hilfreich. Die sehr schnellen ADCs können den Impuls synchron zur Quelle digitalisieren.

Die Messung beginnt, wenn ein Trigger-Timer die Impulse auslöst. Die Messungen werden am Anfang des Impulses getriggert, aber durch die Programmierung einer Messverzögerung soweit verzögert, bis der Impuls einen eingeschwungenen Zustand erreicht hat. Die Messergebnisse bei einem Lastwiderstand von 0,1 Ω sind in Bild 5 dargestellt. Eine andere Anwendung ist die Mehrpunkt-Mittelwertmessung des Impulsdaches.

Oftmals wird mit einer Analysesoftware ein Mittelwert der Messdaten errechnet, um die Genauigkeit zu verbessern. Moderne Messinstrumente können das häufig selbst. Die Mittelwert- und Median-Filter des 2651A können mit den Messwerten der sehr schnellen ADCs genutzt werden, sodass Mehrpunkt-Mittelwert-Messungen möglich sind. Der im ersten Beispiel verwendete Test kann durch die Veränderung einiger Codezeilen auch für Mehrpunkt-Mittelwert-Messungen dienen.

Die Prüfergebnisse sind in Bild 5 neben den Rohmessdaten dargestellt.

Manchmal ist eine Charakterisierung nötig, die zeigt, wie ein Impuls durch ein Bauteil oder System übertragen wird.

Dies erfordert die Digitalisierung des gesamten Impulses einschließlich der ansteigenden und abfallenden Flanken.

Eine derartige Messung lässt sich asynchron zur Quellenfunktion mit den sehr schnellen ADCs durchführen. Auch hier werden der Start und das Ende des Impulses mit einem Timer getriggert.

Der Trigger, der den Impuls startet, setzt auch den Messprozess in Gang.

Die Ergebnisse für die Beispieldaten sind in Bild 6 dargestellt.

Mit Hilfe von Impulsen lassen sich die Bauteile auch einem gewissen Stress aussetzen.

Dabei kann es sinnvoll sein, den Bauteilstatus noch vor dem Stress aufzuzeichnen.

Dies kann durch die Programmierung eines Impulses mit einem Ruhepegel oberhalb des Nullpunkts erfolgen und indem die Messungen vor dem Impuls getriggert werden.

Dieses Beispiel ist so ausgelegt, dass der Anwender angeben kann, in welchem Zeitabstand die Messungen vor dem Impuls erfolgen sollen.

Mittels Timer werden der Start der Messung sowie der Start- und Endzeitpunkt des Impulses programmiert.

Die Ergebnisse sind in Bild 7 dargestellt.

Wenn das Bauteil mittels Impulsen einem Stress ausgesetzt wird, dann sollte auch eine Charakterisierung des Bauteils nach der Stressbelastung durchgeführt werden.

Dies erfolgt normalerweise durch Anlegen einer vorher definierten Spannung oder eines Stroms nach dem Impuls.

Der Pegel ist so zu wählen, dass keine zusätzliche thermische oder elektrische Beanspruchung des Bauteils entsteht.

Die Messung erfolgt durch Einspeisen eines Impulses mit einem Ruhepegel oberhalb des Nullwerts und mit einer Messung durch die schnellen ADCs.

Die Ergebnisse zeigen, wie sich das Bauteil nach der Beanspruchung erholt. Das Timing der Impulse erfolgt mit Hilfe der Trigger-Timer.

Die Messung wird durch das Endimpuls-Ereignis des Trigger-Modells ausgelöst, wodurch auch der Impuls auf den Ruhepegel zurückkehrt. Bei Bedarf lässt sich der Start der Messungen mittels einer Messverzögerung bis nach der fallenden Flanke verschieben. Die Ergebnisse sind in Bild 8 dargestellt.

Genaues Timing für Impulse und Messungen

Da die Erzeugung der Impulse in den Strom- und Spannungsbereichen mit der Ausführung der Messungen durch die sehr schnellen ADCs gekoppelt werden kann, muss der Anwender das Test-Timing sorgfältig berücksichtigen. Beim 2651A hat die Messfunktion gegenüber der Quellenfunktion und dem Display Priorität.

Während das System mit der Durchführung oder Verarbeitung von Messungen beschäftigt ist, erfolgen daher keine Updates des Bildschirms und kein Timing der Quellen. Um ein falsches Impuls-Timing zu vermeiden, sind einige Aspekte zu beachten. Durch diese Vorsichtsmaßnahmen lässt sich auch eine Schädigung der zu prüfenden Bauteile durch zu hohe Leistungen vermeiden, da das Instrument sehr hohe Ströme im Impuls- und DC-Modus liefern kann.

Für ein genaues Timing, sollten für die Quellen- und Messfunktionen nur feste Bereiche eingestellt werden. Asynchrone Messungen erfordern stets feste Bereiche sowohl für die integrierenden als auch für die sehr schnellen ADCs. Bei einem Betrieb im erweiterten Impulsbereich sind alle Einschränkungen im Hinblick auf maximale Tastverhältnisse und Impulsbreiten zu beachten. Das Instrument kann ansonsten den Ausgang abschalten, um eine mögliche thermische Instabilität zu verhindern.

Eine Fortsetzung von Trigger-Ereignissen für Quellenfunktionen oder von Endimpuls-Aktionen kann zu einem Overrun bei den Quellen- und/oder Endimpuls-Aktionen führen. Sehr hohe Abtastraten über einen längeren Zeitraum können ein unerwünschtes Impuls-Timing zur Folge haben. Dies gilt besonders für Einstellungen, bei denen das Messintervall der sehr schnellen ADCs kleiner als 10 μs ist und wenn die Impulsfolge ein hohes Tastverhältnis aufweist.

Wenn eine bestimmte Konfiguration zu einem unerwünschten Impuls-Timing führt, sollte der aktuelle Test abgebrochen und eine der folgenden Maßnahmen ergriffen werden: Reduzierung der Mess-Trigger-Frequenz, Verringerung der Anzahl der Messungen oder Vergrößern des Messintervalls. Im asynchronen Betrieb müssen alle erwarteten Messungen vor der »End Sweep«-Aktion getriggert werden.

Eine Änderung der Quellenpolarität verursacht eine Verzögerung von 100 µs vor Einstellen des Quellenpegels. Die Zahl 0 wird als ein positiver Wert betrachtet. Für negative Impulse, die von Null aus starten, sollte eine »negative Null« zum Einsatz kommen. Dies ist eine negative Zahl, die sehr nahe bei null liegt, beispielsweise -1E-12. Ändert sich die Quellenpolarität während einer Testfolge, dann muss die Verzögerung der Polaritätsänderung auch im TSP-Skript berücksichtigt werden, um ein korrektes Impuls-Timing zu erhalten. Der Status des Instruments lässt sich über das Zustandsmodell beobachten. Ein »Action Overrun« setzt Bits in unterschiedlichen Registern des Zustandsmodells entsprechend dem Trigger-Objekt, in dem der Action-Overrun generiert wird. Beim SMU-Trigger-Objekt erfolgt ein Action-Overrun, wenn ein neuer Eingangstrigger entdeckt wird, bevor die zuvor getriggerte Aktion beginnt.

Im asynchronen Messmodus entsteht jedes Mal ein Action-Overrun, wenn eine neue Messung getriggert wird, während die SMU eine Messung ausführt. Bei asynchronen Messungen werden die Trigger nicht zwischengespeichert.

Bild 9 zeigt, wie das Trigger-Overrun-Bit im »Operation Status«-Register einer SMU zu setzen ist. Dabei hat jede Aktion (Arm, Source, Measure und End Pulse) ein entsprechendes Overrun-Bit im Zustandsmodell. Über TSP-Skripts lassen sich die verschiedenen Over-run-Event-Register (Source-, Measure- oder »End Pulse Action«-Blocks) auslesen.

Jeder der SMU-Action-Blocks speichert einen Trigger, auch wenn nicht sofort eine Aktion erfolgt. Zwischengespeicherte Trigger lösen keinen Action-Overrun aus. Lösen mehrere Trigger während einer laufenden Aktion aus, dann entstehen Overruns. Ist das Instrument zum Beispiel mit der Ausführung sehr vieler schneller Messungen beschäftigt, dann kann es nicht auf das Endimpuls-Ereignis reagieren.

Wird das Endimpuls-Ereignis zum ersten Mal getriggert, dann verzögert die SMU das Ende des Impulses, sodass sich ein Impuls mit einer längeren Breite als vorgesehen ergibt. Wenn die SMU während der Triggerung des nächsten Endimpuls-Ereignisses noch Messungen ausführt oder bearbeitet, wird ein Endimpuls-Action-Overrun generiert und der nächste Impuls wird nicht beendet.