Einfacher durch 8-Kanal-Oszilloskop Verifikation von Power-Sequencing

Überprüfung der Stromversorgung von Embedded-Sysemen.
Überprüfung der Stromversorgung von Embedded-Sysemen.

Die meisten Embedded-Systeme benötigen mehr als eine Stromversorgung und viele verfügen sogar über vier oder mehr. Beim Einschalten spielen Stromverlauf und Reihenfolge eine große Rolle für die korrekte Funktionsweise. Wie lässt sich beides einfach überprüfen?

Ein einzelnes IC, wie ein FPGA, DSP oder Mikrocontroller, kann mehrere Versorgungsspannungen erfordern, und diese können spezifische Timing-Anforderungen haben. Zum Beispiel kann ein Chip-Hersteller empfehlen, dass die Core-Spannungsversorgung stabilisiert sein muss, bevor die I/O-Versorgungsspannungen angelegt werden. Oder ein Hersteller kann fordern, dass die Stromversorgungen innerhalb einer bestimmten Zeit nacheinander einschalten, um längere Spannungsdifferenzen an verschiedenen Versorgungspins zu vermeiden. Die Einschaltfolge zwischen Prozessoren und externem Speicher kann ebenfalls kritisch sein.

Chip-Hersteller können spezifizieren, dass die einzelnen Stromversorgungen monoton einschalten müssen, um mehrfache Anschalt-Resets zu vermeiden. Das kann eine Herausforderung darstellen, da die Einschaltströme hohe Anforderungen im Hinblick auf Stromspitzen an die Point-of-Load-Regler stellen können. In diesem Fall ist die Form des Einschaltstroms so wichtig wie die Timing-Folge.
Wenn man die verschiedenen Chip-Versorgungen, die Hauptversorgung, die Referenzspannungen und die unterschiedlichen Point-of-Load-Regler für die anderen ICs im Design zusammenrechnet, können sich bis zu sieben oder acht Versorgungsleitungen ergeben.

Die Verifikation des Stromversorgungs-Timings in einem Embedded-System mit einem 4-Kanal-Oszilloskop kann zeitaufwendig sein, aber das ist die gängige Methode der meisten Ingenieure. Viele Oszilloskop-Anwender müssen die Ein- und Ausschaltsequenzen untersuchen und benötigen deshalb oft mehr als vier Kanäle. Hier wird zuerst der Einsatz eines 4-Kanal-Oszilloskops beschrieben und dann einige Beispiele für die Verwendung eines 8-Kanal-Oszilloskops aufgezeigt.

Einsatz eines konventionellen 4-Kanal-Oszilloskops

Ein Ansatz für die Analyse eines Stromversorgungssystems besteht darin, dieses in Blöcke aufzuteilen und mittels mehrerer Aufzeichnungen das Timing jedes Blocks einzeln zu überprüfen. Um die Blöcke miteinander vergleichen zu können, kann eine der Versorgungsleitungen oder das Good-/Fail-Signal einer Versorgung als Trigger genutzt werden. Mit Hilfe mehrerer Aufzeichnungen lässt sich dann das Start- und Abschaltverhalten relativ zu einem Referenzsignal bestimmen. Da die Aufzeichnungen über mehrere Einschaltzyklen erfasst werden, lassen sich Schwankungen im Timing der einzelnen Versorgungen nur schwierig charakterisieren. Jedoch kann die Bandbreite der Schwankung der einzelnen Versorgungen von Zyklus zu Zyklus durch Messungen über mehrere Zyklen mit dem Persistence-Modus (Nachleuchten) des Oszilloskops ermittelt werden.

Eine weitere gängige Methode besteht darin, mehrere Oszilloskope „zu kaskadieren“. Die Oszilloskope triggern dabei normalerweise auf eine der Stromversorgungen oder auf ein gemeinsames Good-/Fail-Signal.

Beide Ansätze sind zeitraubend und erfordern eine besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich der Synchronisation:

  • Die Synchronisation und Minimierung der Zeitunsicherheit erfordert große Sorgfalt.
  • Die Erfassung der vielen Daten, um ein Systemzeitdiagramm zu erstellen, ist möglich aber zeitraubend.
  • Die Komplexität steigt mit der Anzahl der zu beobachtenden Versorgungsleitungen.
  • Die Einstellungen müssen einheitlich sein.
  • Ein Messkanal wird für die Synchronisation benötigt.

Verwendung eines MSO zur Erweiterung der Kanalzahl

Ein Mixed-Signal-Oszilloskop kann zusätzliche Kanäle für die Stromversorgungs-Sequenzierung zur Verfügung stellen. Damit das funktioniert, muss das MSO digitale Eingänge mit geeigneten Spannungsbereichen und un¬abhängig einstellbaren Grenzwerten haben. Das Tektronix MDO4000C mit der MSO-Option bietet beispielsweise 16 Digitaleingänge mit unabhängigen Grenzwerten für jeden Kanal und einen Dynamikbereich von ±30 V bis zu 200 MHz. Dadurch ist es für die meisten Spannungspegel in einem typischen Design geeignet. Dieser Ansatz funktioniert allerdings nur, wenn ausschließlich Timing-Beziehungen zu messen sind. Eine Messung von Anstiegs- oder Abfallzeiten oder des Spannungsverlaufs beim An-/Abschalten (Monotonie) ist dagegen nicht möglich.