大多数嵌入式系统使用不止一根电源排线,许多使用4根或更多。单个IC,例如FPGA、DSP或微控制器,可能具有特定的时序要求。例如,一家芯片制造商可能推荐要在内核电压供电稳定之后,才会施加I/O供电电压。另一家制造商可能要求应在相对的规定时间内供电,以避免各个供电引脚上电压差拖长。处理器和外部存储器之间上电顺序可能也非常关键。

芯片制造商可能会规定特定电源必须以单顺序方式启动,以避免多个上电复位。这可能极具挑战性,因为涌入电流可能会对负载点稳压器提出很高的瞬态要求。在这种情况下,电源线启动形状与定时顺序一样重要。

一旦把各种芯片供电要求、整体供电、基准供电及其他IC多个负载点稳压器组合在一起,您会很快遇到七八根电源线。 使用4通道示波器检验嵌入式系统中的电源线定时可能会非常耗时,但这是大多数工程师必须要做的事。在我们与示波器用户沟通时,评估开机顺序和关机顺序是工程师想要4条以上通道的最常见的原因之一。在本文中,我们将简要介绍使用4通道示波器评估开机顺序和关机顺序,并演示使用8通道示波器的部分实例。

传统 4通道示波器方法

其中一种方法是采用分模块方式分析电源系统,即使用多次采集,逐个模块检查定时。为比较不同模块,可以使用其中一条上电轨迹或Power Good/Fail信号作为触发,可以进行多次捕获,确定相对于基准信号的启动时间和关机时间。由于是在多个功率周期中进行采集,因此很难表征电源相对定时偏差。但是,通过使用示波器上的无限余辉功能,可以确定多个功率周期上每个电源在不同周期中的变化范围。

另一种常见方法是“级联”多台示波器,通常方式是在其中一个电源或在共同的Power Good/Fail信号上触发示波器。

这两种方法都耗时长,要求特别注意同步:

• 处理同步和时间不确定度要谨慎
• 可以汇集数据,开发系统定时图,但耗时很长
• 复杂度会随着观测的功率轨道数量提高
• 设置必须完美统一
• 必须使用一条测量通道来提供同步

使用MSO扩展通道数量

混合信号示波器可以为电源排序提供更多的通道。为此,MSO在数字输入上必须有适当的电压范围,并可独立调节阈值。例如,带有MSO选项的泰克MDO4000C提供了16个数字输入,为每条通道提供独立阈值,直到200 MHz支持± 30 Vp-p动态范围,适合典型设计中的大多数电压电平。注意如果您的目标是严格地测量定时关系,那么特别适合这种方法,但不能测量开机/关机的上升/下降时间或形状(单调性)。

8通道示波器加快处理速度

与前面所有方法相比,使用具有8条模拟通道的示波器可以明显缩短时间,减少混乱。在8通道示波器中,可以使用模拟探头表征拥有最多8条电源排线。为测量拥有8条以上电源排线开机和关机定时关系,也可以使用拥有数字信号输入及独立可调阈值的混合信号示波器。

现在,让我们看一些典型的电源测序应用。

带远程开/关的开机延迟

下面截图中被测的开关电源生成了一个高电流、稳压的12 VDC输出。这个电源通过仪器前面板上的开关进行远程遥控。在开关按下后不久,+5 V待机电源打开,开关转换器启动。在+12 V输出稳定后,Power Good (PW OK)信号变为高电平,向负载表明供电可靠。

+5 V待机电压信号为相关信号采集提供一个简单的上升沿触发。自动测量功能检验输出电压启动延迟是否为< 100 ms,从输出电压启动到PW OK的延迟位于100 – 500 ms的规范范围内。

Power_sequence_Img4 这个截图显示在按下前面板开关后测量AC/DC开关电源启动情况。

带远程开/关的关机延迟

在电源主开关关闭后,开关转换器关闭,输出电压降低。根据规范,在开关按下后电源至少要保持稳压20 ms。最重要的是,根据规范,+12 V输出电压落到稳压范围之外前,PW OK信号要下降5 – 7 ms,从而允许负载时间反应和干净地关机。

如下图所示,PW OK信号为采集相关信号提供了一个下降沿触发。波形光标测量检验PW OK预警信号的工作方式满足规范。

Power_sequence_Img2 可以使用波形光标测量,检验PW OK预警信号的工作方式满足规范。

检验多个功率周期中的定时

为检验电源开机定时在多个功率周期中一直位于规范范围内,可以使用无限余辉,显示信号定时变化,自动定时测量统计画面会量化偏差。在下面所示的设置中,+5V待机电压的50%点作为定时基准。开机序列重复10次,10次开机周期中的定时偏差略高于1%。

Power_sequence_Img3 可以使用无限余辉和测量统计,实现重复的开机定时测量。

负载点稳压电源定时

下面的截图显示了一块系统电路板在开机过程中7个负载点供电的开启时间。电路板的输入电源是上例中的+5V待机信号和+12 VDC整体电压。 这一测试中的自动开机延迟测量在每个波形自动计算出的50%点之间进行,因此每项测量有不同的配置,有不同的测量阈值集。第一项测量显示了从+5 V待机信号到整体+12 V供电之间的延迟,第二项测量是+5V供电的延迟。其余测量是市电+5 V供电的关键延迟序列。

Power_sequence_Img4 这一测量显示了7个稳压电源的开机定时。

稳压电源的关机定时

这一测试中的自动关机延迟测量在低于标称值5%的每个波形点之间进行。与以前基于百分比的测量阈值不同,每项测量都有一个绝对电压阈值。在电源关断时,Power Good信号下降。如下面的截图所示,部分电源负载更重,关机更快。

Power_sequence_Img5 从图中可以看出,部分电源负载更重,关机更快。

8个以上轨道的开机定时

自动时延测量基于信号越过各自阈值电压的时间。由于每个自动测量配置都会包括唯一的阈值(一般是信号幅度的50%),每条数字通道可能会有唯一的阈值(一般也设置成电源电压的50%),因此混合信号示波器可以进行下面所示的电源时延测量,直到可用的数字输入数。根据MSO型号,通道数量可以在8~64之间。

Power_sequence_Img6 这显示了使用数字通道检验8个以上稳压电源的开机定时。

电源上升时间测量

除电源排序外,必须控制电源的上升时间,满足系统中部分关键元件的规范。自动上升时间和下降时间测量也是基于电压基准点进行的,在默认情况下,会自动计算电压基准点为每条通道信号幅度的10%和90%。在下面显示的简单实例中,显示画面右侧的结果框中显示了正极供电的上升时间和负极供电的下降时间。

Power_sequence_Img7 截图显示,画面右侧的结果框中显示了上升时间和下降时间测量。