Detección de anomalías poco frecuentes en el espectro de frecuencia de los diseños de potencia de señales mixtas

Su misión

En diseños de potencia, por ejemplo, los drivers para motores de corriente continua con escobillas, coexisten en el mismo conjunto electrónico tanto circuitos analógicos como digitales. El diseñador debe considerar esta complejidad, de manera particular, en las interferencias conducidas presentes en las líneas de alimentación. Los relojes del microcontrolador o las comunicaciones de buses, como SPI (interfaz periférica en serie), pueden contribuir a las interferencias en caso de que el conjunto electrónico no esté correctamente diseñado. A veces las actividades del bus no se producen de manera continua, a menudo otros controladores externos del sistema las inician. Al medir interferencias conducidas en las líneas de alimentación, estas actividades del bus a menudo suelen ocasionar eventos poco frecuentes en el espectro de frecuencias. Los osciloscopios son los instrumentos estándar para depurar interferencias conducidas durante el proceso de desarrollo. Sin embargo, para detectar eventos muy cortos y poco frecuentes en el espectro, un osciloscopio con una implementación de FFT estándar tiene sus limitaciones. Esto se debe principalmente a que el proceso de cálculo consume mucho tiempo antes de que se pueda visualizar el espectro de FFT. Mientras se calcula el espectro de FFT, eventos extraños, cortos y poco frecuentes pueden perderse. Para localizar y aislar la causa raíz es esencial un rendimiento de la FFT mucho más rápido.

Solución de Rohde & Schwarz

El osciloscopio de la serie R&S®MXO 5 es perfecto para esta tarea desafiante, ya que mide el espectro y proporciona información rápida y detallada acerca de las interferencias conducidas. La rápida función de FFT permite al usuario adquirir un espectro de hasta 45 000 FFT/s. En combinación con el front-end analógico de bajo ruido, los usuarios pueden detectar eventos extraños de manera muy eficiente y precisa.

Además, la FFT es independiente de la configuración del dominio de tiempo, lo cual es muy beneficioso para la depuración de EMI. En la implementación estándar de la FFT, la frecuencia de actualización de esta debería reducirse de manera significativa debido al ancho de banda de resolución. Asimismo, pueden utilizarse sondas de campo cercano para localizar la fuente de ruido en el sistema. Esto también requiere de una FFT rápida. Se requiere de la red de alimentación artificial (AMN) para mediciones estables y reproducibles.

Aplicación

Se utilizó un driver de medio puente totalmente integrado que incluía un motor de corriente continua con escobillas conectado para mostrar un evento poco frecuente en el espectro de interferencias conducidas. Este dispositivo (véase fig. 1 en la página 1) proporciona la potencia con dos medios puentes y puede configurarse a través de un bus SPI. Se conecta un microcontrolador al bus y se lo utilizó para monitorear el estado del driver, así como para controlar la velocidad y dirección del motor. Se utiliza un bus CAN para comunicarse con los módulos externos del sistema.

Encontrar la causa raíz

Este procedimiento puede dividirse en tres pasos:

• Paso 1: realizar la medición de las interferencias conducidas según el estándar requerido, por ejemplo, CISPR25, con el modo de persistencia activado (destaca cualquier anomalía que casi nunca se produce)
• Paso 2: encontrar y localizar la causa raíz con sondas de campo cercano eléctricas y magnéticas adecuadas de diferentes tamaños (encontrar interferencias que se correlacionen con una funcionalidad específica del módulo)
  Nota: el modo de persistencia debe continuar activado para brindar información no periódica
• Paso 3: tras encontrar la correlación entre el espectro y la función dedicada, debe desactivarse el modo de persistencia infinita; disparo sobre la señal que muy probablemente sea la causa raíz (la medición confirmará si la suposición es correcta o si debe repetirse el paso 2)

Ejemplo de medición

En la fig. 2 se muestra el resultado de una medición de interferencias conducidas realizada en las líneas de alimentación de la aplicación del motor con escobillas. La rápida FFT en combinación con el modo de persistencia activado permite que se detecte eventos extraños que ocasionan una alta interferencia en todo el espectro. Este envolvente de ruido (véase el área de color amarillo claro, que se indica con flechas blancas) muestra las típicas marcas que ocasiona una fuente de ruido amplia, por ejemplo, comunicaciones de bus o el reloj. Tras medir la interferencia conducida, se utiliza la sonda de campo cercano y es posible encontrar interferencias con características similares en el conjunto electrónico cerca de las pistas de datos SPI al lado del microcontrolador. Por lo tanto, puede asumirse que la actividad SPI es probablemente la causa raíz.

Puede obtenerse una confirmación con el último paso (véase fig. 3). En esta medición, se activa el modo de disparo normal en el que el puerto de comunicaciones SPI se mide con una sonda pasiva (canal 3). Al mismo tiempo se muestra el espectro. El resultado muestra que apenas se iniciaron (evento de disparo) las comunicaciones entre el controlador y el receptor aparece en la pantalla una interferencia alta y ancha. Al conocer los detalles pueden definirse las actividades para limitar estas interferencias, que son ocasionadas por las actividades del bus SPI y se reflejan en las interferencias conducidas en la línea de alimentación.

Resumen

El osciloscopio de la serie R&S®MXO 5 es perfecto para verificar interferencias conducidas en aplicaciones de señales mixtas en donde pueden producirse emisiones poco frecuentes. La extraordinaria implementación rápida de la FFT de 45 000 FFT/s en combinación con el front-end analógico de bajo ruido permite al usuario encontrar cualquier anomalía extraña en el espectro de frecuencia de diseños de potencia de señales mixtas.