Der Zusatznutzen einer Source Measure Unit

Die SMU 2602B mit zwei Kanälen verfügt über ein eng integriertes Vier-Quadranten-Design, das eine simultane Einspeisung und Messung von Spannung und Strom ermöglicht Tektronix

Ein guter Startpunkt für die Betrachtung einer Source Measure Unit (SMU) ist die Herausstellung der Unterschiede zwischen einer SMU und den Alternativen DMM und Labor-Stromversorgung. Im Allgemeinen kann eine SMU als Spannungsquelle (mit einem programmierbaren Stromgrenzwert) oder Stromquelle (mit einem programmierbaren Spannungsgrenzwert) genutzt werden. Sowohl die Quellen- als auch die Grenzwert-Funktionen sind mit einer 16-Bit-Auflösung programmierbar. Zudem lassen sich beide Parameter mit der Präzision eines hochauflösenden DMMs messen. Weitere Unterschiede zu einer Stromversorgung und einem DMM werden deutlich, wenn man einige Einzelheiten betrachtet:

Geschwindigkeit – Viele Stromversorgungen beinhalten eine Strombegrenzungsfunktion, allerdings nur für Gleichstrom. Eine SMU verfügt dagegen normalerweise über eine viel höhere Bandbreite. Die Geschwindigkeit der Quellen- und Begrenzungs-Funktion ist zwar lastabhängig, meist kann die Quellen- oder Grenzwert-Funktion der SMU einen festen Strom- oder Spannungswert innerhalb von nur 50 ms einregeln. Die Stromgrenzwert-Funktion ist außerdem ausreichend schnell, um Komponenten und komplette Schaltungen vor einem Überstrom zu schützen, was bei kostengünstigen Stromversorgungen oft nicht der Fall ist. Eine SMU ermöglicht auch die Einspeisung von Spannung oder Strom in Pulsform, um die Bauteilleistung zu begrenzen.

Bild 1: Eine Stromversorgung (rechts) erlaubt nur einen Zweiquadranten-Betrieb; ein SMU-Instrument (links) kann dagegen als Quelle und Senke in allen vier Quadranten arbeiten. Tektronix

Dynamikbereich – Die meisten Stromversorgungen haben nur wenige Bereiche und viele sogar nur einen einzigen. Je nach Modell ermöglicht der große Dynamikbereich einer SMU die Messung von Strömen von einigen Hundert Femto-A bis hin zu 50 A. Die niedrigeren Strombereiche eignen sich für eine Bauteil-Charakterisierung, die Suche nach beschädigten Komponenten oder das Debugging von Anwendungen mit einer sehr niedrigen Stromaufnahme.

Hohe Auflösung – eine SMU bietet ebenso wie ein DMM Messfunktionen für Spannung und Strom mit einer hohen Auflösung von bis zu 22 Bit.

Programmierbarkeit – eine zusätzliche Flexibilität bietet die SMU durch die Möglichkeit der Programmierung von Spannungs- oder Strompulsen oder individuellen Spannungs- oder Stromsequenzen. High-End-SMUs verfügen über eine sehr leistungsfähige integrierte Programmiersprache, sodass das Instrument auch als Arbiträr-Signalgenerator (ARB) für die Einspeisung von Spannung oder Strom genutzt werden kann.

Eingangsimpedanz – im Gegensatz zu einem DMM zeichnet sich die SMU durch eine hohe Eingangsimpedanz bei allen Spannungsfunktionen aus. Im Vergleich dazu nutzt ein DMM (und ein Oszilloskop) einen Spannungsteiler aus Widerständen, um hohe Spannungen zu messen.

Vier-Quadranten-Betrieb – wie im Bild 1 dargestellt, kann eine SMU sowohl einen positiven als auch einen negativen Strom oder eine positive oder negative Ausgangsspannung einspeisen, sodass der Ausgang-Verstärker alle vier Quadranten abdeckt. Dadurch kann das Gerät auch als elektronische Last genutzt werden. Eine typische Stromversorgung kann nur Spannung und/oder Strom liefern und somit in einem Zweiquadranten-Betrieb genutzt werden. Während des Quellen- oder Senken-Betriebs kann die SMU gleichzeitig Spannung, Strom und Widerstand messen. Diese Flexibilität ist besonders bei der Charakterisierung von Batterien, Solarzellen oder anderen Energieerzeugern hilfreich.

Im Folgenden werden einige Szenarien betrachten, in denen eine oder zwei SMUs zum Einsatz kommen.

Validierung eines Stromversorgungsprototyps

Das erste Szenario ist die Entwicklung eines neuen Stromversorgungsdesigns. Wie bei vielen aktuellen Projekten erfolgt die Entwicklung unter großem Zeitdruck und die Spezifikationen ändern sich bis zur letzten Minute. Die zu entwickelnde Software-gesteuerte Stromversorgung bietet einen großen Funktionsumfang und viele verschiedene Betriebsarten für den Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen. Zu den Funktionen der Stromversorgung gehören eine programmierbare Versorgungsspannung, eine kurze Reaktionszeit, ein hoher Wirkungsgrad und mehr. Sie enthält eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC), eine netzunabhängige Versorgung sowie mehrere Gegentakt-Durchflusswandler und eine große Zahl von Sekundär-Ausgängen. Die Stromversorgung umfasst zahlreiche andere Software-gesteuerte Funktionen, von denen noch nicht alle fertiggestellt sind. Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Baugruppe durch Softwarefehler beschädigt werden könnte.

Bevor die Baugruppe gefertigt wird, kommt sie auf den Prüfstand. Mit einer SMU werden die Nennspannungen an die jeweiligen Leiterplattenbahnen der Stromausgänge sowie an die Schaltungen für die Netzspannung angelegt. Wenn die Stromversorgung später in Betrieb genommen wird, muss diese mit den Nennspannungen funktionieren, also wird dies zuerst einmal mit einem sicheren Stromgrenzwert von 10 μA ausprobiert. Die Netzspannung (und die Sicherheitsabstände) sowie alle Niederspannungsversorgungen scheinen okay zu sein, aber der 700 V Hochspannungsausgang hat den 10 μA Stromgrenzwert sofort ausgelöst. Etwas funktioniert also nicht. Die SMU meldet einen Spannungsgrenzwert von 350 V. Dies ist ein klarer Hinweis für ein Spannungsproblem und nicht für einen Kurzschluss. Schließlich ist der Ausfall erst bei 350 V aufgetreten.

Nach einigen Untersuchungen konnte dieses Problem einfach durch das Fräsen eines Schlitzes zwischen dem Hochspannungsnetz (Hochspannungs-Leiterbahnen auf der Leiterplatte) und einer kurzen Masseleitung behoben werden. Es stellt sich heraus, dass die Spannungsabstands-Regeln für dieses Netz vom CAD-Tool nicht beachtet wurden. Der Ingenieur hat die Abstände der Leiterbahnen zwar insgesamt beachtet, diese eine wahrscheinlich aber übersehen. Durch die frühzeitige Entdeckung dieses Fehlers konnte der Schlitz noch vor der Bestückung der Baugruppen eingebracht werden. Die Korrektur dieses Problems nach der Bestückung aller Bauteile wäre viel schwieriger gewesen.

Software-Probleme

Bild 2: Die Grafik zeigt den Spannungsabfall über einem Brücken-Gleichrichter bei Nennlast und ohne Last. Tektronix

In diesem Stromversorgungs-Szenario wurde gerade ein klarer Hinweis für ein entscheidendes Problem gefunden. Eine voll bestückte Musterbaugruppe ist abgebrannt, nachdem sie erste Bestückungstests erfolgreich durchlaufen hat. Die abgebrannte Baugruppe wird beiseite gelegt und eine neue genommen. Die SMU wird mit einem zuvor erstellten Testskript so eingestellt, dass sie am Ausgang eine AC-Netzspannung zur Verfügung stellt. Das Skript programmiert den Ausgang auf eine 50 Hz Sinusspannung mit einem Stromgrenzwert, der dem Ruhestrom der unbelasteten Stromversorgung entspricht.

Die neue Baugruppe startet korrekt, wobei alle Versorgungsspannungen innerhalb der Spezifikationen bleiben. Wenn sich diese Baugruppe wie die erste verhält, bleibt nur wenig Zeit, um die Ursache zu finden, bevor das Problem erneut auftritt, dieses Mal aber mit einem sicheren Stromgrenzwert. Mit einem Oszilloskop wird die über den Gleichrichtern anliegende Spannung über einen vollständigen Schaltzyklus der Stromversorgung beobachtet. Bild 2 zeigt die Spannungsänderung über der Gleichrichterdiode. Diese ist proportional zum Laststrom, der mittels einer logarithmischen Verstärkung-I/V-Kurve mit der SMU ermittelt werden kann. Wenn diese Aufzeichnungen (obere Aufzeichnung ohne Last, untere Aufzeichnung mit Volllast) nicht wie eine einfache Verschiebung aussehen oder wenn die Verschiebung nicht korrekt ist, kann ein Problem in der Sekundärschaltung nach dem Gleichrichter vorliegen.

Alle Spannungen über den Gleichrichtern der Ausgänge sehen allerdings korrekt aus. Wenn der Gleichrichter-Strom aus irgendeinem Grund zu hoch wäre, würde die Gleichrichter-Spannung (im Wesentlichen ein logarithmischer Verstärker) eine Erhöhung des Stroms über der Zeit zeigen. Indem mit einer zweiten SMU die I-U-Charakteristik jeder Diode gemessen wird, steht fest, welchen Wert die Spannungen annehmen sollten. Dazu wird ein Spannungsverlauf programmiert und der Strom gemessen.

Es dauerte nicht lange, bis die Probleme offensichtlich wurden. Innerhalb von ungefähr 30 Minuten hatte die SMU, die die zweite Baugruppe ansteuerte, den Stromgrenzwert erreicht. Dieses Mal ist jedoch nichts ausgefallen und die Baugruppe ist auch nicht abgebrannt. Es musste nur der Ausgang der SMU abgeschaltet werden, um das Instrument auf null Volt zu programmieren und das Skript für die AC-Netzspannung erneut zu starten.

Bild 3: Schaltplan einer Gegentakt-Stromversorgung. Tektronix

Um das Problem zu isolieren, wurden mit einem Oszilloskop die Primärströme jeder Gegentakt-Versorgung gemessen (Bild 3). Da niemand daran dachte hier einen Widerstand zu platzieren, musste der Primärstrom über den kleinen Spannungsabfall von einer kurzen Leiterbahn auf der Leiterplatte gemessen werden. Normalerweise wird dieser Test mit einem potenzialfreien Oszilloskop ausgeführt, in diesem Fall wurde ein hochauflösendes DMM eingesetzt.

Diese Messung hat sich als sehr aufschlussreich erwiesen. In nur wenigen Minuten war erkennbar, dass der Strom zunahm! Da anhand der vorherigen Tests bekannt war, dass die Sekundärseite problemlos funktioniert, blieben nur zwei mögliche Ursachen übrig: Entweder war der Transformator falsch entwickelt oder gefertigt, oder die über einen Mikrocontroller gesteuerten Einschaltzeiten der MOSFETs sind ungleich. Dies wird auch als Fluss-Unausgewogenheit bezeichnet.

Nach weiterer Suche wurde entdeckt, dass das Problem im Controller-Code lag. Anscheinend gab es ein Interrupt während einer Hälfte des Schaltzyklus, und zwar immer beim gleichen Schalter. Dies veränderte die Einschaltzeit, was eine Fluss-Unausgewogenheit im Transformator zur Folge hatte. Das eingesetzte Transformator-Design war aufgrund einer geringen Magnetisierungs-Induktanz für dieses Problem besonders empfindlich. Bei diesem Projekt spielte die SMU damit eine wichtige Rolle beim Debugging eines ernsten Problems.

Prüfung des Stromverbrauchs mit Source Measure Unit

In einem anderen Szenario besteht die Aufgabe in der Verifizierung und dem Debugging einer fortschrittlichen, batterielosen Uhr mit Energy-Harvesting-Funktionen für militärische Anwendungen. Sie verfügt über Funkeigenschaften, um die Bewegungen der Soldaten zu verfolgen und den Kontakt mit der Befehlszentrale zu halten, sowie die Zeit und Daten mit den anderen Uhren unter demselben Kommando zu synchronisieren. Die Kommunikation wichtiger Informationen an die Soldaten erfolgt manchmal über ein passives LCD, manchmal durch ein blinkendes Licht und manchmal durch einen schwachen Stromschlag, den kein anderer hören, sehen oder anderweitig erfassen kann. Die Uhr erzeugt die benötigte Energie aus Körperwärme, Licht und Bewegungen und hat Dutzende von Betriebsarten, die jeweils unterschiedliche Ruheströme aufweisen.

Ein kritischer Aspekt war den Stromverbrauch unter der magischen Grenze von 1 nA zu halten, dem niedrigsten garantierten Strom, den die Uhr mittels der kombinierten Energy-Harvesting-Funktionen erzeugen kann. Wenn der durch die Uhr verbrauchte Strom für eine gewisse Zeit über 1 nA ansteigt, muss die Uhr die Last über eine gewisse Dauer reduzieren, um diesen Extraverbrauch „zu kompensieren“.

Am Anfang wurden die einzelnen Peripheriekomponenten mit einer SMU und einem Testadapter mit niedrigem Leckstrom geprüft. SMUs wie das Source Meter Instrument Modell 2461 von Keithley verfügen über die notwendigen Messbereiche und rauscharme Triax-Stecker für kleine Ströme. Dadurch können nicht nur der Stromverbrauch, sondern auch die Stromänderungen aufgezeichnet werden, wenn die jeweiligen Schaltungen aktiviert oder deaktiviert werden. Selbst geringe Änderungen hatten einen messbaren Einfluss. Ändert sich zum Beispiel der Stromverbrauch zu schnell, dann werden die Energy-Harvesting-Funktionen gezwungen, mit einem niedrigeren Wirkungsgrad zu arbeiten. Mit der SMU konnte die I-U-Charakteristik der Solarzellen simuliert werden, um die ultra-hocheffizienten Wandler der Uhr zu prüfen. Diese Prüfung erfordert eine schnelle Quelle, die sowohl hohe Spannungen als auch niedrige Ströme liefern kann.

Bild 4: Testaufbau mit Testadapter. Tektronix

Nun geht es um den Testadapter. Da weder das Gehäuse noch das Armband der Uhr verfügbar waren, mussten der Testadapter und die Triax-Verkabelung eine präzise Messung des Stromverbrauchs gewährleisten. Eine Abschirmung um die Uhr stellt sicher, dass nur der Strom von der Uhr selbst gemessen wird und nicht Signale von außen eingekoppelt werden (Bild 4). Über den Testadapter können die Ingenieure und Auditoren außerdem eine Verbindung zwischen der Uhr und einem Computer herstellen, sodass nicht die Tasten der Uhr verwendet werden müssen. Diese Schnittstelle wurde entwickelt, um die Auditierung zu beschleunigen, die jetzt überall durchgeführt werden kann. Um das Testverfahren zu beschleunigen, wurde zudem ein Code für die SMU geschrieben, mit dem der von der SMU in die Uhr eingespeiste Strom kontinuierlich durch die SMU überwacht wird. Der Code zeichnet alle Situationen auf, in denen die 1-nA-Grenze überschritten wird. Zudem zeichnet er den durchschnittlichen Strom auf. Dieser Testaufbau wurde für jeden Design- und Auditierungsingenieur kopiert. Die Auditierung kann nicht nur durch eine Fehlfunktion scheitern, sondern auch, wenn die Uhr zu viel Strom verbrauchen sollte. In diesem Fall müssen die spezifischen Hardware-Zustände überprüft sowie die Fehlerursache ermittelt – und natürlich eine Lösung gefunden werden.

In Anbetracht der Komplexität des Designs lieferte die Auditierung unvorhersehbare Ergebnisse. Das Team musste sowohl das Problem eines zu hohen Stromverbrauchs als auch eine Fehlfunktion beheben. Allerdings konnte das Team durch den Einsatz einer SMU viel Zeit beim Debugging sparen. Die bisher verwendete Stromversorgung und die elektronischen Lasten verfügten nicht über die hier erforderlichen Funktionen für kleine Ströme und unterstützten zudem auch keine Programmierbarkeit.

Inbetriebnahme

Obwohl diese Beispiele aus verschiedenen Design-Projekten zusammengestellt wurden, sind die dort vorhandenen Test- und Messtechnikanforderungen sehr real. Auch die Zeiteinsparung, die eine SMU bei der Lösung von Problemen sowie bei Reparaturen und Nacharbeiten ermöglicht, lässt sich sicherlich in gewissem Maße auf andere Aufgaben übertragen. Natürlich ist jedes Projekt verschieden, und jedes Projekt stößt auf andere Hindernisse. Um ihre Arbeit zu erledigen, haben die Ingenieure nur ihr Wissen, Detektiv-Fähigkeiten und Testinstrumente zur Verfügung. Die Nützlichkeit eines Messinstruments ist davon abhängig, welche Fähigkeiten ein Tool bietet und ob die umfangreichen Funktionen möglichst gewinnbringend eingesetzt werden.

(jj)