Power Sequencing für FPGAs, CPUs und DSPs verifizieren

Ihre Anforderung

Wenn komplexe elektronische Komponenten wie FPGAs oder CPUs gestartet werden, müssen mehrere Versorgungsspannungen in einer spezifischen Reihenfolge und mit bestimmten Verzögerungs- und Anlaufzeiten angelegt werden. Es ist notwendig, die Stromaufnahme zu minimieren und sicherzustellen, dass sich die I/Os beim Anschalten in einem hochohmigen Zustand befinden.

Die empfohlene Ausschaltreihenfolge ist üblicherweise umgekehrt zur Einschaltreihenfolge. Falls diese Abfolgen nicht eingehalten werden, kann der Strom die spezifizierten Grenzwerte überschreiten. Dies kann möglicherweise eine Fehlfunktion oder Beschädigung der Komponente nach sich ziehen. Beim Schaltungsdesign ist es wichtig, die Charakteristiken mehrerer Spannungen beim Ein- und Ausschalten sowie bei einer Spannungsunterbrechung aufzuzeichnen und zu analysieren.

Beispiel einer Einschaltreihenfolge verschiedener Versorgungsspannungen (links angezeigt) eines DSP des Typs TMS320C6652/4 von Texas Instruments Incorporated.

Lösung von Rohde & Schwarz

Der R&S®RT-ZVC ist ein mehrkanaliger Oszilloskop-Tastkopf, der mit jeweils bis zu vier Spannungs- und Stromkanälen ausgestattet ist, die über einen sehr hohen dynamischen Messbereich verfügen. Jeder Kanal besitzt einen A/D-Wandler mit 18-bit Auflösung bei 5 Msample/s und 1 MHz Bandbreite. Mit bis zu zwei R&S®RT-ZVC Tastköpfen an einem vierkanaligen R&S®RTE1000 oder R&S®RTO2000 Oszilloskop lassen sich bis zu 20 Spannungen parallel analysieren. Für diese Konfiguration müssen die Stromkanäle als hochempfindlicher Spannungsmesser im externen Shunt-Modus betrieben werden.

Erweiterte Analysefunktionen

Um die Ein- und Ausschaltreihenfolgen von FPGAs und CPUs zu verifizieren, muss das Ein- und Ausschaltverhalten ihrer Versorgungsspannungen charakterisiert werden. Insbesondere existieren verschiedene Spannungseigenschaften, die bestimmte Anforderungen erfüllen müssen:

• Ein-/Ausschaltverzögerung: Die unterschiedlichen Versorgungsspannungen müssen mit bestimmten Zeitverzögerungen angelegt werden, die abhängig vom Gerät von einigen Nanosekunden bis zu mehreren Millisekunden reichen können.
• Bestimmte Spannungsanlaufzeiten: Die Pegel der unterschiedlichen Versorgungsspannungen von FPGAs, CPUs und DSPs liegen üblicherweise zwischen 1 V und 5 V. Darüber hinaus gelten für jede Spannung empfohlene minimale und maximale Anlaufzeiten, die von einigen Mikrosekunden bis zu mehreren Millisekunden reichen. Somit erstrecken sich die empfohlenen Anstiegsraten von wenigen V/μs bis zu mehreren V/ms.
• Differenz zwischen Versorgungsspannungen: Während des Anlaufens (siehe oben) sollte die Differenz zwischen einzelnen Spannungen vorgegebene Werte nicht überschreiten.

Die R&S®RTE1000 und R&S®RTO2000 Oszilloskope sind leistungsstarke Werkzeuge, um die erforderlichen Power-Sequencing-Parameter zu verifizieren. Die spezifischen Spannungsverläufe lassen sich mit den in den Oszilloskopen integrierten Mess- und Mathematikfunktionen analysieren:

• Cursors ermöglichen die manuelle Analyse mehrerer Parameter, beispielsweise die Verzögerung zwischen unterschiedlichen Kanälen.
• Automatisierte Messfunktionen erlauben die unkomplizierte Bestimmung von Eigenschaften wie der Verzögerung zwischen Kanälen oder der Anstiegszeit einzelner Spannungen. Darüber hinaus genügt die Abtastrate von 5 Msample/s des R&S®RT-ZVC, um typische Anstiegsraten von mehreren Volt pro Millisekunde zu messen.
• Mit Mathematikfunktionen zwischen einzelnen Oszilloskopkanälen lässt sich die erforderliche Spannungsdifferenz verifizieren.

Herausragende Genauigkeit für enge Toleranzen bei Versorgungsspannungen

Zusätzlich zum Power Sequencing sind stabile und saubere Spannungen auf den Stromversorgungsleitungen die Basis für eine angemessene Performance eines jeden Elektronikdesigns. Im Allgemeinen sinken die Spannungen auf den Stromversorgungsleitungen und ihre Toleranzen, um die Leistungsaufnahme zu minimieren und die Batterielaufzeit zu verbessern.

Um die kleinen Versorgungsspannungen und die engen Toleranzfenster von FPGAs oder CPUs zu analysieren, muss das Messgerät über eine bestimmte Empfindlichkeit und Genauigkeit verfügen. Der R&S®RT-ZVC zeichnet sich durch eine herausragende Genauigkeit von 0,1 % bei Spannungsmessungen und 0,2 % bei Strommessungen aus. Dies ist um mehr als den Faktor 10 besser als bei normalen Oszilloskopkanälen.

Fazit

Der R&S®RT-ZVC Mehrkanal-Leistungstastkopf eignet sich ideal für die unkomplizierte Visualisierung von Ein- und Ausschaltreihenfolgen von Versorgungsspannungen für FPGAs und CPUs. Er unterstützt die einfache Messung von Verzögerung, Welligkeit, Rauschen und Anstiegszeit an einzelnen Kanälen, um die Genauigkeit und Korrektheit des Power-Sequencing-Prozesses zu verifizieren.