DE10346898A1

DE10346898A1 - Minimalinvasiver Vorrichtungsstrom-Analysator

Info

Publication number: DE10346898A1
Application number: DE10346898A
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph Benes; James R. Medunick; Russell A. Clegg
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2004-07-22
Also published as: US20040119460A1; US6825653B2; TWI289670B; TW200411186A

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen von sehr genauen nicht-invasiven Strommessungen von Strom, der von einer Leistungsquelle zu einer Testvorrichtung (DUT) fließt. Eine Leistungsversorgung, die in einem Durchlaßmodus arbeitet und die eine Mehrzahl von Erfassungsanschlußleitungen einlagert, kompensiert Spannungsabfälle aufgrund der Systemverdrahtung und Meßnebenanschlüssen innerhalb der Bandbreitengrenzen der Leistungsversorgung. Die resultierende Schaltungsspannung und Impedanz, die durch die Last ersichtlich ist, nach der Hinzufügung des Meßsystems und der Systemverdrahtung, ist annähernd identisch zu der Ausgangsspannung und der Impedanz der Leistungsquelle.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen von sehr genauen nicht-invasiven Messungen eines elektrischen Stroms, der von einer Leistungsquelle zu einer Testvorrichtung (DUT = Device Under Test) fließt.
Beim Testen von elektronischen Vorrichtungen werden Spannungs- und Strom-Signalverläufe häufig während verschiedener Operationsmodi der elektronischen Vorrichtung als eine Anzeige der ordnungsgemäßen Vorrichtungsfunktionalität gemessen. Um Signalverlaufmessungen durchzuführen, muß die Leistungsquelle, die zum Liefern von Leistung zu der elektronischen Testvorrichtung (DUT) verwendet wird, von der DUT getrennt werden, um eine Hinzufügung von Meßinstrumenten zu ermöglichen. Bezug nehmend auf 1 wird Leistung Idealerweise von einer Spannungsquelle 103 zu einer Testvorrichtung 102 geliefert, und keine zusätzliche Reihenimpedanz wird zwischen der Spannungsquelle 103 und der Testvorrichtung 102 angetroffen. Daher ist die Leerlaufschaltungsspannung an der DUT gleich zu V_S und die DC-Quellenimpedanz der Spannungsquelle 103 ist gleich zu R_S. Um die notwendigen Strommessungen durchzuführen, werden ein Meßsystem und eine Verdrahtung zu der Schaltung hinzugefügt, die nicht erwünschte Impedanzen einbringt.
Bei einem herkömmlichen Meßsystem, das in 2 gezeigt ist, wird eine Testvorrichtung 102 von einer Leistungsquelle 103 durch Drahtimpedanzen beliefert, die als konzentrierte Parameter Z_A und Z_C angezeigt sind. Ein Strom wird durch eine kontaktlose Meßsonde 104 erfaßt, wie z. B. einen Stromtransformator oder einen Hall-Effekt-Sensor, und eine Darstellung des Stroms wird an einem Oscilloskop 105 angezeigt. Bei einem solchen Meßsystem entsteht jedoch ein vorübergehender Spannungsabfall und ein Überschwingen aufgrund der zusätzlichen Einfügungsimpedanzen der Sonde, sowie aus Z_A und Z_C. Dieser Spannungsübergang kann die DUT überspannen oder unterspannen, wodurch der beabsichtigte Test potentiell abgeschlossen wird oder die DUT beschädigt wird.
Ein anderes herkömmliches Meßsystem ist in 3 gezeigt. Ein Strommeßnebenschluß R_M ist in Reihe mit der Spannungsquelle 103 und der Testvorrichtung 102 eingefügt. Ein zusätzlicher Spannungsabfall wird aufgrund des Meßnebenschlusses R_M und der Drahtimpedanzen realisiert, die durch die konzentrierten Parameter Z_A, Z_B und Z_C dargestellt sind.
Ein wiederum anderes herkömmliches Meßsystem ist in 4 gezeigt. Unter Verwendung eines Gleichleistungsvorrats 106 mit herkömmlicher Zweidrahterfassung kann in einem Durchlaßmodus, wo der Vorrat auf Null Volt gesetzt ist, Strom von der Spannungsquelle 103 gemessen werden. Durch Verwenden der Eingängen Sense(–) (Erfasse(–)) und Sense(+) (Erfasse(+)) kompensiert die Leistungsversorgung 106 Spannungsabfälle über das Meßsystem 106 und die Impedanzen Z_A, und Z_B, aber nicht für einen Spannungsabfall über die Impedanz Z_C.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Messen eines Stroms, ein System zum Ausgleichen einer Spannung und ein Verfahren zum Ausgleichen einer Spannung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein System zum Messen eines Stroms gemäß Anspruch 1 oder 13, ein System zum Ausgleichen einer Spannung gemäß Anspruch 7 und ein Verfahren zum Ausgleichen einer Spannung gemäß Anspruch 10 gelöst.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein zweiter Satz von Erfassungsanschlußleitungen für die Leistungsversorgung bereitgestellt. Dies ermöglicht es der Versorgung, den zusätzlichen Spannungsabfall über die Impedanz Z_C innerhalb der Bandbreiteneinschränkungen der Leistungsversorgung zu kompensieren. Durch Einstellen der Leistungsversorgung auf Null Volt wird eine Gesamtanzahl der Fehler, die durch das Meßsystem, Z_A, Z_B und Z_C eingebracht werden, annähernd auf Null innerhalb der Bandbreitengrenzen der Leistungsversorgung reduziert. Als ein Ergebnis ist die Leerlaufschaltungsspannung und die Quellenimpedanz an der DUT gleich V_S bzw. R_S. Somit können die erforderlichen Strommessungen auf nicht-invasive Weise genommen werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer Spannungsquelle und einer Last;
2 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Meßsystems;
3 ein Blockdiagramm eines weiteren herkömmlichen Meßsystems;
4 ein Blockdiagramm eines wiederum weiteren herkömmlichen Meßsystems;
5 ein Blockdiagramm eines Meßsystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
6 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts des Meßsystems, das in 5 gezeigt ist.
Ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel, das in 5 gezeigt ist, empfängt eine Testvorrichtung 201 einen Strom I_L, der durch eine Spannungsquelle 202 über Konzentrierte-Parameter-Impedanzen Z_A, Z_B und Z_C geliefert wird. Die Spannungsquelle 202 weist einen Span nungsgenerator V_S1 und eine Quellenimpedanz auf, die durch R_S1 dargestellt ist. Der Spannungsgenerator V_S1 kann eine Batterie, eine Gleichstrom-(DC)-Spannungsquelle, eine Wechselstrom-(AC)-Spannungsquelle oder eine Signalverlauferzeuger-Spannungsquelle sein, unter der Annahme, daß die Leistungsversorgung 205 eine bipolare Spannungs- und Strom-Ausgabe erzeugen kann. Ein Leistungsversorgungs- und Meß-System 205 weist Ausgaben SOURCE(+) (QUELLE(+)) und SOUR-CE(–) (QUELLE(–)) auf, die die Spannungsquelle 202 und die Testvorrichtung 201 seriell über die Impedanzen Z_A und Z_B verbinden. Das Leistungsversorgungs- und Meß-System 205 liefert eine Ausgabeablesung, die dem Strom entspricht, der von der Spannungsquelle 202 zu der Testvorrichtung 201 geliefert wird. Strom wird zu der Spannungsquelle 202 von der Testvorrichtung 201 über die Impedanz Z_C zurückgeleitet. Ein Maß des Stroms, der durch das Leistungsversorgungs- und Meß-System 205 fließt, wird als eine Ausgabe Imonitor geliefert.
Das Leistungsversorgungs- und Meß-System 205 umfaßt ein erstes Paar von Erfassungseingängen SENSE(+) und SENSE(–), abgekürzt S(+) bzw. S(–), und ein zweites Paar von Erfassungseingängen EXTRA SENSE(+) (ZUSÄTZLICHE ERFASSUNG (+)) und EXTRA SENSE(–)(ZUSÄTZLICHE ERFASSUNG (-)), abgekürzt ES(+) und ES(–). Der Erfassungseingang S(+) ist an der Testvorrichtung 201 an der Lastseite der Impedanz Z_B angeschlossen. Der Erfassungseingang S(–) ist an der Spannungsquelle 202 an der Quellenseite der Impedanz Z_A angeschlossen. Der Erfassungseingang ES(+) ist an der Spannungsquelle 202 an einer Seite gegenüberliegend zu dem Erfassungseingang S(–) angeschlossen und der Erfassungseingang ES(–) ist an der Last an einer Seite gegenüberliegend zu dem Erfassungseingang S(+) angeschlossen.
Bezug nehmend auf 6 ist ein detaillierteres Schema des Leistungsversorgungs- und Meß-Blocks 205 aus 5 gezeigt. Die Eingängen S(+), S(–), ES(+) und ES(–) sind derart gezeigt, daß sie einen Dualeingangs-Differentialver stärker 301 speisen. Mit RB = RC und RD = RE erzeugt der Differentialverstärker 301 ein Steuerungssignal Vmonitor, wie in Gleichung (1) unten gezeigt ist. Um eine Gleichtaktunterdrückung zu maximieren, werden die Werte von RA bis RF so eingestellt, daß RA/RF = RB/RD = RC/RE.
[ES (+) – ES (–) ] + [S (+) – S (–) ] = (K) Vmonitor (1)
In Gleichung 1:
[ES (+) – ES (–) ]= –IL(ZC) (3)und [S(+) – S(–) ] = Vout – IL(ZA + ZB) (4)
Ein Kombinieren von Gleichung 1, 3 und 4 ergibt Gleichung (5).
[–IL(ZC) ] + [Vout – IL(ZA + ZB) ] = KVmonitor (5)
Das Rückkopplungssignal Vmonitor wird mit dem Sollwert der Leistungsversorgungsspannung, Vset durch einen Addierer 302 derart summiert, daß die Gleichung (6) erfüllt ist. Vset = (K)Vmonitor (6)
Wenn Vset gleich Null ist, ist (K)Vmonitor gleich Null. Ein Einsetzen in Gleichung (5) und Auflösen nach Vout ergibt Gleichung (7). Vout = IL (ZA + ZB + ZC) (7)
Als ein Ergebnis wird eine Gesamtheit von Fehlern durch das Meßsystem 205 eingebracht und die Impedanzen Z_A, Z_B und Z_C werden auf Null reduziert, unter der Annahme, der Fehlerverstärker 301 weist einen infiniten Gleichgewinn auf. Es wird darauf hingewiesen, daß I_L entweder Polarität sein könnte, angenommen, die Leistungsversorgung ist angepaßt, um eine bipolare Ausgangsspannung und Strom zu erzeugen.
Bezug nehmend wiederum auf 6 wird die Differenz zwischen Vset und Vmonitor verwendet, um einen Invertierungsfehlerverstärker 303 anzutreiben. Eine Ausgabe aus dem Fehlerverstärker 303 speist eine Nichtinvertierungsleistungsstufe 304, die eine Ausgabe durch die SOURCE(+)-Verbindung liefert. Der Nebenschluß 305 wird verwendet, um den Strom zu messen, der durch die SOURCE(–)-Verbindung zurückläuft. Ein Instrumentierungsverstärker 306 mißt den Strom, der durch den Nebenschluß 305 fließt, und liefert die zusätzlich gemessene Stromausgabe Imonitor. Alternativ kann der Strommeßnebenschluß 305 in der Source-(+)-Anschlußleitung plaziert sein und dasselbe Ergebnis erreichen wie bei der Plazierung, die in 6 gezeigt ist.
Das Ausführungsbeispiel, das in 6 gezeigt ist, kann angeordnet sein, um sicherzustellen, daß der Stromfluß durch die Erfassungsanschlußleitungen im wesentlichen Null ist, und daß im wesentlichen der gesamte Laststrom durch den Meßnebenschluß 305 fließt. Dies ist ohne weiteres durch Hinzufügen von Hochimpedanzpuffern zu den Erfassungsanschlußleitungen erreichbar.
Zusätzlich dazu können die Funktionen, die durch Gleichungen (1) beschrieben sind, unter Verwendung von separaten Gleichgewinninstrumentierungsverstärkern implementiert werden, wo jeder der Instrumentierungsverstärker eine Vmonitor-Ausgabe aufweist und die Vmonitor-Ausgaben gleichmäßig summiert werden. Gleichung (1) kann ferner unter Verwendung von A/D-Wandlern mit digitaler Logik oder unter Verwendung externer Ausrüstung implementiert werden.
Bezug nehmend wiederum auf 5 verursacht aufgrund der Konfiguration der Erfassungsanschlußleitungen S(+), S(–), ES(+) und ES(–) eine Erhöhung bei dem Spannungsabfall, die entweder zwischen den zusätzlichen Erfassungsanschlußleitungen (extra sense leads) ES (+) und ES (–) oder den Erfassungsanschlußleitungen (sense leads) S(+) und S(–) erfolgen, eine Erhöhung bei dem Vmonitor-Signal, das in 6 gezeigt ist. Die Erhöhung des Vmonitor-Signals verursacht, daß Vout proportional für eine Kompensation verringert wird. Folglich ist das Leistungsversorgungs- und Meß-System 205 bei einer herkömmlichen Zweidrahterfassungskonfiguration entweder durch Kurzschließen oder durch Leerlaufen der zusätzlichen Erfassungsanschlußleitungen ES(+) bis ES(–) verwendbar. In diesem Fall wird die Gleichung (3) ES(+) – ES(–) = 0, wodurch die Gleichung (1) zu Gleichung (8) reduziert wird. S (+) – S (-) = (K) Vmonitor (8)
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung wurden beispielhaft unter Verwendung von Konzentrierter-Parameter-Impedanzen Z_A, Z_B und Z_C erklärt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch verwendbar, wenn die Impedanzen Z_A, Z_B und Z_C Verteilter-Parameter-Impedanzen ist, oder wo es erwünscht ist, die Ströme in Schaltungen zu messen, die mehr Impedanzen aufweisen als Z_A, Z_B und Z_C. Wenn es z. B. erwünscht ist, die Impedanz ZC als Impedanzen Z_C ₁, Z_C2,... Z_C _N zu betrachten, können weitere Extra-Sense-(+)- und Extra-Sense-(–)-Aufnehmer verwendet werden, um zusätzliche Paare von Extra-Sense-Spannungen zu erfassen, und die weitere Paare von Extra-Sense-Spannungen, die mit dem Paar von Extra-Sense-Spannungen summiert werden, die oben beschrieben sind, um eine entsprechende Steuerungsspannung zu liefern.

Claims

System (205) zum Messen eines Stroms, der von einer Versorgungsspannungsquelle (202) geliefert wird, die einen Ausgangsknoten und einen ersten Rücklauf knoten zu einer Last aufweist, wobei die Last einen Eingangsknoten und einen zweiten Rücklaufknoten aufweist, wobei eine erste und eine zweite Impedanz seriell zwischen den Ausgangsknoten und den Eingangsknoten geschaltet sind und eine dritte Impedanz zwischen den ersten und den zweiten Rücklauf knoten geschaltet ist, wobei das System folgende Merkmale aufweist: ein Erfassungssystem, das Spannungen an dem Ausgangsknoten, dem ersten Rücklaufknoten, dem Eingangsknoten bzw. dem zweiten Rücklaufknoten erfaßt; und eine steuerbare Spannungsquelle, die seriell mit der ersten und der zweiten Impedanz verbunden ist und die eine Zwischenspannung zum Beseitigen von Spannungsabfällen aufgrund der ersten, zweiten und dritten Impedanz ansprechend auf die erfaßten Spannungen bereitstellt.
System (205) gemäß Anspruch 1, bei dem: das Erfassungssystem ferner ein Summierungsnetzwerk aufweist, das eine Summe eines ersten Paares der erfaßten Spannungen von einer Summe eines zweiten Paares der erfaßten Spannungen subtrahiert und eine Steuerungsspannung ausgibt; und die steuerbare Spannungsquelle die Spannungsabfälle ansprechend auf die Steuerungsspannung beseitigt.
System (205) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Versorgungsspannungsquelle eine Gleichstromspannungsquelle ist.
System (205) gemäß Anspruch 3, bei dem die Gleichstromquelle eine Batterie ist.
System (205) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Versorgungsspannungsquelle eine Wechselstromspannungsquelle ist.
System (205) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Versorgungsspannungsquelle eine Signalverlauferzeugerspannungsquelle ist.
System (205) zum Ausgleichen einer Spannung an einer Last, um einer Versorgungsquellenspannung zu entsprechen, wobei die Versorgungsquelle einen Ausgangsknoten und einen ersten Rücklaufknoten aufweist und die Last einen Eingangsknoten und einen zweiten Rücklaufknoten aufweist, wobei eine erste und eine zweite Impedanz seriell zwischen den Ausgangsknoten und den Eingangsknoten geschaltet sind, wobei eine dritte Impedanz zwischen den ersten und zweiten Rücklaufknoten geschaltet ist und ein Laststrom durch die erste, zweite und dritte Impedanz fließt, aufgrund der Quellenspannung, wobei das System folgende Merkmale aufweist: ein Erfassungsnetzwerk, das Spannungen an dem Ausgangsknoten, dem ersten Rücklaufknoten, dem Eingangsknoten bzw. dem zweiten Rücklaufknoten erfaßt; und eine steuerbare Spannungsquelle, die seriell mit der ersten und der zweiten Impedanz verbunden ist und die eine Zwischenspannung bereitstellt, um die Quellenspannung und die Lastspannung ansprechend auf die erfaßten Spannungen auszugleichen.
System gemäß Anspruch 7, bei dem: das Erfassungsnetzwerk ferner ein Summierungsnetzwerk aufweist, das eine Summe eines ersten Paares der erfaßten Spannungen von einer Summe eines zweiten Paares der erfaßten Spannungen subtrahiert, und die serielle Spannungsquelle die Versorgungsquellenspannung und die Lastspannung basierend auf einem Ergebnis der Subtrahierung ausgleicht.
System gemäß Anspruch 8, bei dem das Summierungsnetzwerk einen Operationsverstärker aufweist, der die Subtrahierung ausführt.
Verfahren zum Ausgleichen einer Spannung an einer entfernten Last, um einer Versorgungsquellenspannung zu entsprechen, wobei die Versorgungsquelle einen Ausgangsknoten und einen ersten Rücklauf knoten aufweist und die Last einen Eingangsknoten und einen zweiten Rücklauf knoten aufweist, wobei eine erste und eine zweite Impedanz seriell zwischen den Ausgangsknoten und den Eingangsknoten geschaltet ist und eine dritte Impedanz zwischen den ersten und den zweiten Rücklaufknoten geschaltet ist und ein Laststrom durch die erste, zweite und dritte Impedanz aufgrund der Quellenspannung fließt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erfassen von Spannungen an dem Ausgangsknoten, dem ersten Rücklauf knoten, dem Eingangsknoten bzw. dem zweiten Rücklauf knoten; und serielles Verbinden einer steuerbaren Spannungsquelle mit der ersten und der zweiten Impedanz; und Steuern der seriell angeschlossenen Spannungsquelle basierend auf der Antwort auf die erfaßten Spannungen, um die Versorgungsquellenspannung und die Lastspannung auszugleichen.
Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner folgenden Schritt aufweist: Ausgeben eines Werts eines Stroms, der durch die steuerbare serielle Spannungsquelle an einen Hilfsausgang geliefert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, bei dem das Steuern der seriell angeschlossenen Spannungsquelle folgende Schritte aufweist: Subtrahieren einer Summe eines ersten Paares der erfaßten Spannungen von einer Summe eines zweiten Paares der erfaßten Spannungen; und Steuern der seriell angeschlossenen Spannungsquelle basierend auf einem Ergebnis der Subtrahierung.
System zum Messen eines Stroms, der von einer Versorgungsspannungsquelle zu einer Last über einen Versorgungsweg und einen Rücklaufweg geliefert wird, wobei zumindest eine Impedanz seriell in den Versorgungsweg geschaltet ist und zumindest eine Impedanz seriell in den Rücklaufweg geschaltet ist, wobei das System folgende Merkmale aufweist: eine Strommeßschaltung, die einen Strom in einem aus Versorgungsweg und des Rücklaufweg mißt; ein Erfassungssystem, das zumindest ein Paar von Spannungen entlang des Versorgungswegs und zumindest ein Paar von Spannungen entlang des Rücklaufwegs erfaßt; und eine steuerbare Spannungsquelle, die seriell mit einem aus Versorgungsweg und des Rücklaufweg verbunden ist und die eine Zwischenspannung bereitstellt, um Spannungsabfälle aufgrund der seriellen Impedanzen ansprechend auf die erfaßten Spannungen zu beseitigen.
System gemäß Anspruch 13, bei dem die Versorgungsspannungsquelle eine Gleichstromspannungsquelle ist.
System gemäß Anspruch 14, bei dem die Gleichstromspannungsquelle eine Batterie ist.
System gemäß Anspruch 13, bei dem die Versorgungsspannung eine Wechselstromspannungsquelle ist.
System gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Versorgungsspannung eine Signalverlauferzeugerspannungsquelle ist.
System gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem die Zwischenspannungsquelle ferner einen zusätzlichen Spannungsabfall aufgrund der Meßschaltung ansprechend auf die erfaßten Spannungen beseitigt.