Stromversorgung Messung der Ausgangsimpedanz von DC-Quellen

Ein geringes Rauschen dokumentiert die Fähigkeit eines Versorgungssystems, auf Lastwechsel angemessen zu reagieren und selbst keinen Störpegel anzuregen. Wie gut dies im untersten Frequenzbereich gelingt, hängt sehr stark von der Ausgangsimpedanz der DC-Quelle ab. Wie Sie aussagekräftige Daten mit einfachem Messgerät gewinnen können, zeigt dieser Beitrag.

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Die Qualität einer Spannungsversorgung (neudeutsch Power-Integrity) lässt sich an Hand des Spannungsrauschens (Voltage-Ripple) bewerten: Ein geringes Rauschen dokumentiert die Fähigkeit des Versorgungssystems, auf Lastwechsel angemessen zu reagieren und selbst keinen Störpegel anzuregen. Dabei sind unterschiedliche Komponenten des Versorgungssystems in den verschiedenen Frequenzbereichen „am Werk“.

Wie gut dies im untersten Frequenzbereich gelingt, hängt sehr stark von der Ausgangsimpedanz der DC-Quelle ab. Im Folgenden wird ein einfaches Messverfahren vorgestellt, womit diese Impedanz mit sehr günstigem Messgerät ermittelt werden kann.

Was ist überhaupt die Ausgangsimpedanz?

Die Ausgangsimpedanz ist ein Maß dafür, wie stabil die Ausgangsspannung bei einem sich ändernden Laststrom ist. Gemäß Ohm’schem Gesetz gilt:Betrachtet man die DC-Quelle als Blackbox mit den Ausgangsklemmen V_out und GND, so lässt sie sich schaltungstechnisch – unabhängig von ihrer tatsächlichen Schaltungstopologie – als Spannungsquelle mit der Generatorimpedanz Z_DC-Quelle beschreiben.

Ein Blick auf die reale Schaltungstopologie legt nahe, dass diese Quell-Impedanz vermutlich kein rein ohmscher (Wirk-)Widerstand ist, sondern mehr oder weniger ausgeprägte Blindanteile – oft induktiver Natur – aufweist. Das bedeutet aber, dass die Ausgangsimpedanz eine frequenzabhängige Größe ist, für die der vergleichsweise einfach zu ermittelnde DC-Quellwiderstand kaum eine Aussagekraft hat.

Die Stromaufnahme einer Vielzahl von Verbrauchern in modernen elektronischen Schaltungen ist zeitlich nicht konstant (z.B. Oszillatoren, CPUs, Verstärker etc.), sondern ändert sich mit der Zeit mehr oder weniger schnell. Oder im Frequenzbereich betrachtet: Der Laststrom weist spektrale Anteile in unterschiedlichen Frequenzbereichen auf.

Im Frequenzbereich von DC bis einige hundert kHz und mehr ist es zunächst Aufgabe der DC-Quelle, für möglichst geringe Schwankungen der Versorgungsspannung zu sorgen. Oder anders ausgedrückt: In diesem Frequenzbereich soll die Quelle in der Regel eine möglichst geringe Ausgangsimpedanz haben.

Wie dieser Impedanzverlauf dabei genau aussehen soll, wird von einer Reihe von Faktoren (Stabilität der Quelle, Anforderungen der Verbraucher, EMV/EMI u.v.m.) bestimmt, soll aber hier nicht weiter diskutiert werden. Es ist jedoch sowohl für die Überprüfung des Designs der DC-Quelle, als auch für Ihre Einbindung in PI-Simulationen erforderlich, ihn zu kennen.

Eine Möglichkeit, diesen Impedanzverlauf zu ermitteln, ist die Simulation. Diese setzt allerdings die genaue Kenntnis der Schaltung, geeignete Simulationstools und entsprechendes Know-how voraus, weshalb sie nur selten eingesetzt werden kann.

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