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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Bestimmen
der Leistung in einer Schaltung. Insbesondere betrifft diese Erfindung
Onboard-Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Leistung einer Schaltung
oder eines Schaltkreises auf einer gedruckten Leiterplatte bzw.
Platine.
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Beschreibung
des einschlägigen
Standes der Technik
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Gedruckte
Leiterplatten (PCBs) sind allgemein bekannt. Gedruckte Leiterplatten
sind ein zweckmäßiger und
effektiver Weg zur Herstellung und Ausführung von sowohl analogen als
auch digitalen elektronischen Vorrichtungen, die oftmals als integrierte
Schaltungen bezeichnet werden. Heutzutage werden integrierte Schaltungen
auf gedruckten Leiterplatten in einer Vielzahl von Anwendungen,
wie etwa in Computern, Netzzubehör,
elektronischen Geräten,
Stereoanlagen, usw. verwendet.
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Im
Allgemeinen wird eine gedruckte Leiterplatte nach Designvorgaben
hergestellt und stellt die Konfiguration der elektronischen Schaltkreise
für die betreffenden
Anwendungen dar, wie etwa für
die Verdrahtung einer integrierten Schaltung. Nach der Herstellung
der gedruckten Leiterplatte werden die Elemente und die verschiedenen
Komponenten der integrierten Schaltung dann an Berührungspunkten
montiert, wie etwa durch Löten
usw.
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Da
integrierte Schaltungen zunehmend komplexer geworden sind, wird
ihre diesbezügliche
Leistungsaufnahme und -verteilung immer anspruchsvoller. Folglich
ist das genaue Testen der Leistungserfordernisse einer integrierten
Schaltung von wesentlicher Wichtigkeit für die Produktion von qualitativ
guten integrierten Schaltungen sowie auch von elektrischen und elektronischen
Geräten.
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Oft
werden Analysehilfsmittel wie etwa Komponentenmodellierungs- oder
-simulationstools (z.B. SPICE® usw.) von Entwurfsingenieuren
verwendet, um eine Vorhersage der Leistungsaufnahme und -verteilung über eine
integrierte Schaltung zu unterstützen.
Viele Faktoren machen jedoch eine genaue Vorhersage der Leistungsmerkmale
einer integrierten Schaltung unzuverlässig. Beispielsweise ist es üblich, dass
eine gedruckte Leiterplatte mit Toleranzen bis zu ±10% hergestellt
wird. Auf ähnliche
Weise können
die Toleranzen von Komponenten variieren. Daher kann das Modellieren
einer integrierten Schaltung für
Entwurfszwecke verwendet werden, kann aber möglicherweise die tatsächlichen
Leistungsaufnahme- und Leistungsverteilungsmerkmale einer integrierten
Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte, die sich mit den variierenden
Toleranzen ändern könnten, nicht
genau vorhersagen. Folglich müssen sich
Elektronikhersteller immer noch auf das herkömmliche Labortesten von integrierten
Schaltungen verlassen, die auf gedruckten Leiterplatten hergestellt
werden.
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Das
physikalische Testen einer integrierten Schaltung auf einer gedruckten
Leiterplatte ist nicht ganz problemlos. Es ist z.B. übliche Praxis,
eine integrierte Schaltung durch "Zerlegen" bzw. das Isolieren von Sektionen einer
Schaltung oder eines einzelnen Schaltkreises auf der gedruckten
Leiterplatte zu testen. Um eine Schaltung oder einen einzelnen Schaltkreis
zu isolieren, wird für
Gewöhnlich
eine Komponente (z.B. ein Induktor oder dergleichen) entfernt, woraufhin
eine Leistungsquelle eingespleisst wird, wie etwa mittels eines
Drahtes. Daraufhin können
unter Verwendung von herkömmlichen
Messinstrumenten (z.B. Spannungs- und Strommessinstrumenten, Oszilloskopen
usw.) verschiedene Spannungs- und Strommessungen vorgenommen werden.
Je kleiner elektronische Komponenten aber werden, desto mühsamer wird
es, Schaltungen auf einer gedruckten Leiterplatte physisch zu isolieren
und Oszilloskope und Messinstrumente präzise an der Schaltung anzubringen,
und ist oft sogar unmöglich.
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Um
solche Tests durchzuführen,
ist idealerweise eine Präzisionsmessung
des Stroms erforderlich, mit dem eine Schaltung versorgt wird, was
dadurch erreicht werden kann, dass eine Präzisionsstromquelle in Serie
mit der Schaltung vorgesehen wird, oder indem ein Präzisionswiderstand
in Serie mit einer Spannungsquelle an einer Schaltung angebracht
wird. Beispielsweise unter Bezugnahme auf den Stand der Technik
von 1 ist ein einfaches Blockdiagramm einer Schaltung 100 auf
einer gedruckten Leiterplatte gezeigt. Die Schaltung 100 weist
eine Last 102 und eine Spannungsquelle 104 auf.
Die Power Plane bzw. die gedruckte Leiterplatte besitzt einen Leiterbahnen-Widerstandspegel,
der durch R2 dargestellt ist. Ein Präzisionswiderstand R1 wird in
Serie mit der Power Plane (R2) angeordnet, und ein Präzisionsstrom
kann durch Versorgen der Last 102 gemessen werden, wie
etwa durch Verwendung eines Strommessers über den Präzisionswiderstand R1. Durch
das An ordnen einer Komponente in Serie mit der Last(-schaltung) 102 wird
jedoch die Zuverlässigkeit
der Schaltung unmittelbar zur Zuverlässigkeit des Präzisionswiderstandes
R1 in Beziehung gesetzt. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der gesamten Schaltung
herabgesetzt werden.
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Das
Hinzufügen
von Komponenten in Serie mit der Schaltung selbst könnte die
Induktivitäten
der Schaltung beeinflussen und daher die Leistungsfähigkeit
insgesamt beeinträchtigen.
Des Weiteren weisen Präzisionswiderstände auch
insofern ein Problem auf, als sie oftmals keinen starken Strom bewältigen können.
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'Using PCB as a current
shunt'; Electronics World
and Wireless World, Reed Business Publ., vol. 99, no. 1691, 01.
10. 1993, S. 862–863,
beschreibt ein System, das für
die Messung der Kernleistung einer Schaltung auf einer gedruckten
Leiterplatte (PCB) geeignet ist, welche eine erste Schaltung in Form
eines Gleichstrommotors, eine Power Plane-Einrichtung in Form eines
Leistungsanschlusses, der zum MOSFET-Drain führt, und eine Power Strip-Einrichtung
aufweist, welche in der gedruckten Leiterplatte angeordnet ist,
um die erste Leistungsversorgung in Form eines Batteriesatzes an
die Power Plane anzuschließen,
und wenigstens zwei Einrichtungen in Form von zwei Prüfanschlüssen für die Messung
eines Spannungsabfalls aufweist.
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Die
DE 198 38 974 A offenbart
eine elektrische Schaltung mit einer Einrichtung zum Messen eines
Stroms, wobei anstelle eines separaten Messwiderstandes eine bereits
vorhandene Stanzgitterverbindung als elektrische Verbindung zwischen
zwei Vorrichtungen der elektrischen Schaltung verwendet wird.
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Die
US-A-5 095 274 offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen des Stroms durch
eine Lampenschaltung, die einen Reihen-Widerstandsnebenschluss in
der Schaltung anwendet, wobei ein Ende mit einer Stromquelle verbunden
ist, und das zweite Ende mit der Lampe verbunden ist. Die Schaltungsanordnung
weist einen Komparator auf, der über
den Nebenschluss angeschlossen ist und eine solche Schwellenschaltspannung
besitzt, dass eine Spannung über
den Nebenschluss, die höher
als die Schwellenspannung ist, den Komparator anschaltet (wie in
einem Fall, in dem die Lampe nicht funktioniert), und eine Spannung über den
Nebenschluss, die geringer als die Schwellenspannung ist (wie in
einem Fall, in dem sich die Lampe in der Schaltung befindet und
funktioniert), den Komparator abschaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Nebenschluss tatsächlich
ein Teil der Leiterbahnen der gedruckten Schaltung. Um Anderungen
des Widerstandes in dem Nebenschluss zu kompensieren, die auftreten,
wenn sich die Temperatur der gedruckten Leiterplatte ändert, ist
eine Temperaturkompensationsschaltung vorgesehen, um die Schwellenschaltspannung
in einer festen Beziehung zu der Temperatur des Nebenschlusses zu
halten. Die Vorrichtung weist zusätzliche Schaltungen auf, die
an den Komparator angeschlossen sind, um die Empfindlichkeit des Komparators
gegen Änderungen
in der Versorgungsspannung der Schaltung zu verringern. In einer
bevorzugten Ausführungsform
besitzt die Schaltung eine 50%-ige Empfindlichkeit gegen Änderungen
der Versorgungsspannung. Die Schaltung kann in Form einer monolithischen
integrierten Schaltung hergestellt werden.
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Die
US-A-4 713 607 beschreibt eine Stromerfassungsschaltung, die Strom
und Signale erfasst, wenn ein solcher Strom einen vorgegebenen Pegel
in einer geätzten
Leiterplatte übersteigt.
Die Schaltung weist eine leitfähige
Spur mit einem vorgegebenen Widerstand innerhalb einer Metallisierungsschicht
der Platine auf, sowie eine Bezugsspannungsschaltung und einen Komparator,
die mit der Spur gekoppelt sind. Die Bezugsspannungsschaltung erfasst
eine Spannung an einem ersten Erfassungspunkt auf der Spur und verändert die
Spannung um einen vorgegebenen Betrag, um eine Bezugsspannung zu
bilden. Der Komparator erfasst eine Spannung an einem zweiten Erfassungspunkt auf
der Spur und vergleicht sie mit der Bezugsspannung. Solange die
zweite Spannung höher
als die Bezugsspannung ist, zeigt der Komparator an, dass der Strom
unter dem vorgegebenen Pegel liegt. Wenn die zweite Spannung unter
die Bezugsspannung abfällt,
erzeugt der Komparator ein Ausgangssignal, das anzeigt, dass der
Strom den vorgegebenen Pegel überstiegen
hat.
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Angesichts
der oben genannten Probleme besteht ein Bedarf nach neuen und verbesserten Systemen
und Verfahren zum Messen der Leistung einer Schaltung auf einer
gedruckten Leiterplatte, die genau und nicht invasiv sind. Solche
Systeme und Verfahren sollten die Anzahl von zusätzlichen Komponenten, die zu
der im Test befindlichen Schaltung hinzugefügt werden, einschränken, und
sollten den Testeinrichtungen einen besseren Zugang zu Schaltungen,
oder weniger umständliche
Verfahren zum Vornehmen von Messungen ermöglichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein System zum Messen der Kernleistung
einer Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB) zur Verfügung, mit einer
ersten und einer zweiten Schaltung, einer Power Plane, einem Power
Strip, und einem Kalibrierungsstreifen. Die Power Plane hat den
Zweck, die erste Schaltung zu versorgen. Der Power Strip hat den
Zweck, die in der gedruckten Leiterplatte angeordnete Power Plane
mit Leistung zu versorgen, ist mit der Power Plane verbunden, und
weist wenigstens zwei Vias zum Messen eines Spannungsabfalls auf.
Der Kalibrierungsstreifen hat eine vorgegebene Breite und ist in
der gedruckten Leiterplatte angeordnet. Der Kalibrierungsstreifen
weist ebenfalls wenigstens zwei Vias zum Messen eines Spannungsabfalls auf.
Die zweite Schaltung ist so konfiguriert, dass sie einen ersten
Spannungsabfall über
die wenigstens zwei Vias des Power Strips als erste Spannung misst,
und einen zweiten Spannungsabfall über die wenigstens zwei Vias
des Kalibrierungsstreifens als zweite Spannung misst, und dass sie
eine Leistungsberechnung durchführt,
indem sie auf der Grundlage der ersten Spannung und der zweiten
Spannung eine Leistung berechnet, die der ersten Schaltung zugeführt wird.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der
Kernleistung einer Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB)
zur Verfügung
gestellt, welche eine Schaltung aufweist, die von einer Leistungsquelle über eine
Power Plane mit Leistung versorgt wird. Das Verfahren umfasst den
Schritt des Einbettens eines Power Strips mit einer vorgegebenen
Länge und
Breite in der gedruckten Leiterplatte während der Herstellung der gedruckten
Leiterplatte. Als Nächstes
wird eine zweite Leistungsversorgung mit dem Power Strip verbunden,
der geerdet ist, um zu ermöglichen,
dass ein Strom durch den Power Strip fließt. Als Nächstes wird ein Spannungsabfall über den
Power Strip als eine erste Spannung gemessen. Als Nächstes wird
ein Spannungsabfall über die
Power Plane als eine zweite Spannung gemessen. Schließlich wird
die Leistung für
die Schaltung auf der Grundlage der ersten und der zweiten Spannung,
der vorgegebenen Länge,
und der vorgegebenen Breite berechnet.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Ein
vollständiges
Verständnis
der vorliegenden Erfindung ergibt sich unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Systems des Standes der Technik zum
Messen der Leistung einer Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte;
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2 ein
Blockdiagramm eines Onboard-Systems zum Messen der Leistung einer Schaltung
auf einer gedruckten Leiterplatte gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
erweiterte Ansicht der Leistungsversorgung und der Power Plane des
Onboard-Systems zum Messen der Leistung einer Schaltung auf einer
gedruckten Leiterplatte gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Blockdiagramm eines Onboard-Systems zum Messen der Leistung einer Schaltung
auf einer gedruckten Leiterplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5a ein
schematisches Blockdiagramm eines Onboard-Systems zum Messen der
Leistung einer Schaltung auf einer gedruckten Leiterplatte gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5b ein
schematisches Blockdiagramm einer alternativen Leistungskonfiguration
für ein
Onboard-System zum Messen der Leistung einer Schaltung auf einer
gedruckten Leiterplatte;
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6 ein
Schemadiagramm einer Onboard-Schaltung zum Messen der Leistung einer Schaltung
auf einer gedruckten Leiterplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7a ein
Schemadiagramm einer Onboard-Schaltung zum Messen der Leistung einer Schaltung
auf einer gedruckten Leiterplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7b eine
erweiterte Ansicht des Kalibrierungsstreifens von 7a;
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8 ein
Ablaufdiagramm eines Systems zum Messen der Leistung einer Schaltung
auf einer gedruckten Leiterplatte gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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9 ein
Ablaufdiagramm eines Systems zum Messen der Leistung einer Schaltung
auf einer gedruckten Leiterplatte gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist dort ein Blockdiagramm
eines Systems zum Messen der Kernleistung einer Schaltung auf einer
gedruckten Leiterplatte (PCB) gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere weist das System 200 eine
Leistungsquelle 202 (VDC1) wie etwa eine DC-Spannungsquelle
auf, welche über
einen Power Strip 206 (z.B. einen breiten Kupferstreifen)
Leistung an eine Power Plane 204 liefert. Die Power Plane 204 wird
dazu verwendet, eine Schaltung 208 mit Leistung zu versorgen,
die eine vorgegebene Last aufweist.
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Der
Power Strip 206 weist Vias a und b auf, Spannungsabfallpunkte,
die in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordnet sind. Der
Spannungsabfall V1 über
die Vias a und b wird in eine Differenzierungsschaltung 214 eingegeben,
welche den Spannungsabfall V1 misst und ein Spannungssignal, das
gleich dem Spannungsabfall V1 ist, an eine Leistungsbestimmungsschaltung 216 ausgibt.
Ein Temperaturmesser 220 misst die Temperatur des Power Strips 206 und
gibt ein Temperatursignal tmp an die Leistungsbestimmungsschaltung 216 aus.
Die Leistungsbestimmungsschaltung 216 berechnet die Kernleistung
P der Schaltung 208 und gibt ein Leistungssignal P aus.
Wie weiter unten ausführlicher
erläutert
wird, können
verschiedene Berechnungen vorgenommen werden, um die Leistung basierend auf
einer Anzahl von Faktoren zu bestimmen, welche den Spannungsabfall
V1, die Größe des Power
Strips 206, das jeweilige Material, die Temperatur tmp
des Power Strips 206, und die Last der Schaltung 208 umfassen
können.
Das Leistungssignal P kann von der Leistungsbestimmungsschaltung 216 nach Wunsch
an eine Anzeigeschaltung, eine Kalibrierschaltung, oder eine andere
Schaltung ausgegeben werden.
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Die
Berechnung der Leistung ist detaillierter unter Bezugnahme auf 3 gezeigt,
die eine Nahansicht der Power Plane 204 und der Spannungsquelle 202 zeigt,
die durch den Power Strip 206 verbunden sind. Der Power
Strip 206 besitzt gemäß der Darstellung
eine Länge
L, eine Breite W und eine Dicke T. Das Material des Power Strips
kann bevorzugt ein guter Leiter wie etwa reines Kupfer sein. gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
kann der Power Strip eine Unze [Ounce; 28,3495 g] Cu mit einer Dicke
von 0,0012 Zoll [Inch; 0,03048 mm]–0,0014 Zoll [Inch; 0,03556
mm] sein, jedoch soll die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt sein.
Die Dicke T, der spezifische elektrische Widerstand des Materials (p)
und der Wärmekoeffizient
des Materials (e) sind Eigenschaften des verwendeten Materials.
Die Länge
L und Breite W können
durch den Entwurf gesteuert werden.
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Bei
dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Widerstand R des Power Strips 206 berechnet,
indem die Temperatur (tmp) des Power Strips 206, der Wärmekoeffizient
(e), der spezifische elektrische Widerstand (p), die Dicke T, und
die bekannte Länge
L und Breite W einbezogen werden. Somit können die folgenden Formeln
zum Berechnen der Leistung verwendet werden: R
= (1 + (tmp – 20)·e)·L·p/W·T P = VDC1·V1/R
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Folglich
können
die bekannten Werte L, W, T, p und e im Speicher der Leistungsbestimmungsschaltung 216 gespeichert
sein oder dynamisch von einer externen Quelle eingegeben werden.
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Da
die Dicke des Power Strips 206 unbekannt sein kann oder
je nach den Fertigungstoleranzen des Verfahrens zur Herstellung
der gedruckten Leiterplatte variieren kann, kann eine Onboard-Selbstkalibrierungsschaltung
zu dem System 200 hinzugefügt werden, um die Notwendigkeit
einer genauen Messung der Dicke zu eliminieren.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist ein Blockdiagramm eines
Systems zum Messen der Kernleistung einer Schaltung auf einer gedruckten
Leiterplatte gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Insbesondere weist das System 200 eine
Leistungsquelle 202 wie etwa eine DC-Spannungsquelle auf,
welche Leistung an eine Power Plane 204 über einen
Power Strip 206 liefert. Die Power Plane 204 wird
dazu verwendet, Leistung an eine Schaltung 208 zu liefern,
die eine vorgegebene Last aufweist. Eine zweite Spannungsversorgung 210 ist
mit einem Kalibrierungsstreifen 212 verbunden, der aus
Gründen,
die im Nachfolgenden erläutert werden,
in der gleichen Nachbarschaft wie der Power Strip 206 auf
der gedruckten Leiterplatte angeordnet sein kann. Der Kalibrierungsstreifen 212 ist direkt
geerdet, so dass die Leistungsquelle 210 nur durch den
Streifen selbst belastet wird.
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Der
Power Strip 206 und der Kalibrierungsstreifen 212 weisen
jeweils Vias a–d
auf, Spannungsabfallpunkte, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander
angeordnet sind. Die Spannungsabfälle V1 und V2 über die
Vias werden in Differenzierungsschaltungen 214 eingegeben,
die den Spannungsabfall über
jeden Via messen. Beispielhaft sind zwei Differenzierungsschaltungen
gezeigt. Die gemessenen Spannungsabfälle V1 und V2 werden in eine
Leistungsbestimmungsschaltung 216 eingegeben, welche die
Kernleistung der Schaltung 208 berechnen kann. Wie im Nachfolgenden
ausführlicher
erläutert ist,
können
verschiedene Berechnungen durchgeführt werden, um die Leistung
auf der Grundlage einer Anzahl von Faktoren zu bestimmen, welche
V1 und V2, die Größe des Kalibrierungsstreifens 212, den
Power Strip 206, deren jeweiliges Material, die Temperatur
des Kalibrierungsstreifens 212 und des Power Strips 206,
sowie die Last der Schaltung 208 umfassen könnten. Die
Leistung kann als ein Signal P aus der Leistungsbestimmungsschaltung 216 an eine
Anzeigeschaltung, eine Kalibrierschaltung, oder eine andere Schaltung
je nach Wunsch ausgegeben werden.
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Wie
unter Bezugnahme auf 3 gezeigt und beschrieben ist,
kann die von der Last 208 aufgenommene Leistung P auf der
Grundlage des Spannungsabfalls V1 über den Power Strip 206,
der Temperatur (tmp) des Power Strips 206, des Wärmekoeffizienten
(e), des spezifischen elektrischen Widerstandes (p), der Dicke T,
der Länge
L und der Breite W berechnet werden. Wie jedoch weiter oben erläutert wurde,
können
die Dicke T, der Wärmekoeffizient (e)
und der spezifische elektrische Widerstand (p) nicht immer durch
den Entwurf gesteuert und mit äußerster
Genauigkeit vorher gesagt werden wegen variierender Fertigungsprozesse,
die zur Herstellung der gedruckten Leiterplatte verwendet werden.
Daher kann bei dieser Ausführungsform
der Kalibrierungsstreifen 212 in unmittelbarer Nähe zum Power Strip 206 angeordnet
sein und besteht aus dem gleichen Material (z.B. Kupfer oder einem
anderen leitfähigen
Material oder Halbleitermaterial). Somit ist unabhängig vom
Fertigungsprozess die Dicke des Kalibrierungsstreifens 212 gleich
oder im Wesentlichen gleich der Dicke des Power Strips 206.
Da der Kalibrierungsstreifen 212 sehr nahe zu dem Power
Strip 206 angeordnet ist, ist auch die Temperatur des Kalibrierungsstreifens 212 auf
der Platine im Betrieb gleich oder im Wesentlichen gleich der Temperatur des
Power Strips 206. Somit kann die Notwendigkeit einer genauen
Messung der Temperatur tmp oder der Dicke T entfallen, und Leistungsberechnungen
können
auf bekannten und gesteuerten bzw. einfach zu messenden Variablen
basieren.
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Der
Widerstand kann mittels des Widerstandes des Power Strips 206 (R1)
und des Kalibrierungsstreifens 212 (R2) folgendermaßen bestimmt werden: R1 = (1 + (tmp – 20)·e)·L1·p/W1·T R2
= (1 + (tmp – 20)·e)·L2·p/W2·T p = R2·W2·T/(1 +
(tmp – 20)·e)·L2, somitR1 = L1·R2·W2/W1·L2
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Der
Widerstand des Kalibrierungsstreifens 212, R2, kann durch
eine genaue Messung des Stroms durch den Streifen bestimmt werden,
etwa durch Hinzufügen
eines Präzisionswiderstandes
in Serie mit dem Kalibrierungsstreifen 212 oder durch Vorsehen
einer Präzisionsstromquelle
(nicht gezeigt). Somit kann die Leistung der Schaltung 208 ohne
invasive Messinstrumente und ohne das Hinzufügen von zusätzlichen Komponenten zum Spannungspfad
der Schaltung 208 bestimmt werden.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist ein Blockdiagramm
eines Systems zum Messen der Kernleistung einer Schaltung auf einer
gedruckten Leiterplatte gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Diese
Ausführungsform
ist der zweiten Ausführungsform ähnlich,
unterscheidet sich aber dadurch, dass die Leistungsbestimmungsschaltung 216 durch
einen Analog-Digital (A/D)-Konverter 218 und eine CPU ersetzt
ist. Da die Spannungsabfälle
V1 und V2 sehr gering sein können,
kann eine Einrichtung zum Verstärken
der Spannungsabfälle
V2 und V2 verwendet werden. Beispielhaft können die Differenzierungsschaltungen 214 Operationsverstärkerschaltungen
sein, die verstärkte
Spannungsabfälle V1
und V2 an die A/D-Konverter 218 liefern, die in der Lage
sind, die verstärkten
Spannungen V1 und V2 in digitale Signale V1' und V2' umzuwandeln, die an die CPU 220 geliefert
werden. Die CPU 220 kann daraufhin die Leistung P unter
Verwendung der bereits oben beschriebenen Kalkulationen berechnen.
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Obgleich
eine CPU 220 gezeigt ist, soll die vorliegende Erfindung
nicht auf Ausführungsformen mit
einer CPU beschränkt
sein. Für
den Fachmann dürfte
beispielsweise ersichtlich sein, dass Leistungsberechnungen vorliegend
unter Verwendung einer Vielfalt von Recheneinrichtungen und -verfahren vorgenommen
werden können,
wie etwa mit digitalen und analogen Schaltungen.
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5b veranschaulicht
eine alternative Leistungskonfiguration für den Kalibrierungsstreifen 212 in
der vorliegenden Ausführungsform.
Insbesondere anstatt einen Präzisionswiderstand
in Serie mit der Stromversorgung vorzusehen, ist der Kalibrierungsstreifen 212 direkt
parallel mit einer Spannungsquelle 210 angeordnet, und
der Spannungsabfall V2 wird durch die Differenzierungsschaltung 214 von
den Vias c und d auf die gleiche Weise wie oben beschrieben gemessen.
Der Ausgang der Differenzierungsschaltung kann mit dem A/D-Konverter 218 verbunden
sein, wie in 5a gezeigt ist, oder mit einer
Leistungsbestimmungsschaltung, wie in 4 gezeigt
ist.
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Unter
Bezugnahme auf 6 ist eine beispielhafte Operationsverstärker (z.B.
instrumentaler Operationsverstärker)-Schaltung
gezeigt, die als eine Differenzierungsschaltung 214 verwendet
werden könnte.
Die Schaltung 300 weist einen Operationsverstärker 302 mit
Eingängen
IN + und IN – auf, die
mit den Vias a oder c bzw. b oder d verbunden sein können. Für den Fachmann
ist die Anwendung einer zusätzlichen
Schaltungsanordnung 306 für die Leistungsversorgung,
Vorspannung und Einstellung der Verstärkung für einen Operationsverstärker leicht ersichtlich.
Der Operationsverstärker 302 weist
einen verstärkten
Ausgang 304 auf, der die Signale V1 und V2 erzeugen kann.
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Der
Ausgang 304 (z.B. V1 oder V2) des Operationsverstärkers 302 kann
gemäß der Darstellung in 5 in einen A/D-Konverter oder gemäß der Darstellung
in 4 in eine Leistungsrechnerschaltung eingegeben
werden, oder auf herkömmliche
Weise wie etwa mittels einer Messeinrichtung, eines Oszilloskops
oder einer anderen geeigneten Vorrichtung gemessen werden. Für den Durchschnittsfachmann ist
ersichtlich, dass es bei der Messung von Leistung über integrierte
Schaltungen erforderlich sein kann, Messungen zu verstärken, wie
etwa durch Operationsverstärker
oder andere Einrichtungen. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch
nicht darauf beschränkt
sein, und es dürfte
verständlich
sein, dass ein A/D-Konverter vorgesehen werden kann, der genau genug
ist, um solch geringe Spannungen direkt und ohne Verstärkung zu
messen.
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Unter
Bezugnahme auf 7a wird nun ein Schemadiagramm
einer beispielhaften Konfiguration aus einer Differenzierungsschaltung 214 und
einem A/D-Konverter 218 gezeigt, die verwendet wird, um digitale
Signale an die CPU 220 oder an andere Verarbeitungseinrichtungen
zu liefern. Insbesondere empfängt
ein Operationsverstärker 302,
der ähnlich wie
die in 6 gezeigte Operationsverstärkerschaltung 300 konfiguriert
ist, die Spannungen von den Vias c und d bzw. a und b des Kalibrierungsstreifens 212.
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Der
Kalibrierungsstreifen 212 ist in Serie mit einer Eingangsspannungsquelle 210 und
einem Präzisionswiderstand
Rp geschaltet, der ebenfalls in der erweiterten Ansicht von 7b)
gezeigt ist. Der verstärkte
Ausgang 47 (304) des Operationsverstärkers 310, bei dem
es sich um das verstärkte
Potential V2 (oder V1) über
die Vias des Kalibrierungsstreifens 212 (oder des Power
Strips 206) handelt, wird in einen Kanal des A/D-Konverters 218 eingegeben.
Der A/D-Konverter 218 kann beispielsweise ein 12 Bit A/D-Konverter
mit einer Skala von 0–5
V DC sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Eingangsspannung von
der Spannungsquelle 210 wird als Bezugsspannung ebenfalls
in einen Kanal des A/D-Konverters 218 eingegeben. Der A/D-Konverter 218 wird von
der Schaltung 218a mit Leistung versorgt und vorgespannt.
Der A/D-Konverter gibt entsprechende digitale Signale (V2' und V reference)
aus, die zum Durchführen
der Leistungsberechnungen in die CPU 220 oder eine andere
Recheneinrichtung eingegeben werden können. Für den Durchschnittsfachmann dürfte leicht
ersichtlich sein, dass die beschriebene Konfiguration so modifiziert
werden kann, dass sie eine jegliche Anzahl von Verstärkern und
A/D-Konvertern beinhaltet, um Schaltungen mit mehr Power Strips
und/oder Kalibrierungsstreifen zu akkommodieren.
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Unter
Bezugnahme auf 8 ist ein Ablaufdiagramm eines
Verfahrens zum Messen der Leistung einer Schaltung auf einer gedruckten
Leiterplatte gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Verarbeitung beginnt in
Schritt 8-1 und geht unmittelbar weiter zu Schritt 8-2.
In Schritt 8-2 wird während
der Herstellung der gedruckten Leiterplatte ein Kupferstreifen mit
einer vom Entwurf her bekannten Breite, Dicke und Länge und
mit Vias zwischen der Spannungsquelle und einer Power Plane auf
einer gedruckten Leiterplatte angeordnet. Ein solcher Streifen ist
oben unter Bezugnahme auf 3 gezeigt
und beschrieben.
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Als
Nächstes
wird in Schritt 8-3 der Spannungsabfall über den
Power Strip gemessen, wie etwa mittels einer Schaltung, die an den
Vias mit dem Streifen verbunden ist. Eine solche Schaltung wurde bereits
oben unter Bezugnahme auf die 2–7 beschrieben.
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In
Schritt 8-4 kann die Leistung nach erfolgter Messung des
Spannungsabfalls auf der Grundlage der Länge, Breite, Dicke, Spannung über die
Vias, Temperatur der Platine, des spezifischen elektrischen Widerstandes
des Streifens, und des Temperaturkoeffizienten des Streifens berechnet
werden. Eine solche Schaltung wurde bereits oben beschrieben und
könnte
eine Differenzierungsschaltung, einen Betriebsverstärker, einen
A/D-Konverter, eine Leistungsberechnungsschaltung, und eine CPU
aufweisen. Die Verarbeitung endet in Schritt 8-5.
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Unter
Bezugnahme auf 9 ist ein Ablaufdiagramm eines
Verfahrens zum Messen der Leistung einer Schaltung auf einer gedruckten
Leiterplatte gemäß einer
wieder anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Verarbeitung beginnt in
Schritt 9-1 und geht unmittelbar weiter zu Schritt 9-2.
In Schritt 9-2 wird während
der Herstellung der gedruckten Leiterplatte ein Kupferstreifen mit
einer bekannten Breite und Länge
und mit Vias zwischen der Spannungsquelle und einer Power Plane
für die
Versorgung einer Schaltung, deren Leistung gemessen werden soll,
auf einer gedruckten Leiterplatte angeordnet; d.h., der Power Strip
kann während
des Schaltungsentwurfsvorgangs vor der Fertigung der gedruckten
Leiterplatte hinzugefügt werden.
Auf diese Weise ist der Streifen Teil der gedruckten Leiterplatte.
Ein solcher Streifen ist oben unter Bezugnahme auf 3 gezeigt
und beschrieben.
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Als
Nächstes
wird in Schritt 9-3 ein separater Kalibrierungsstreifen
in unmittelbarer Nähe
des Power Strips (z.B. daran angrenzend) angeordnet. Ähnlich dem
vorausgegangenen Schritt kann der Kalibrierungsstreifen bevorzugt
während
der Fertigung der gedruckten Leiterplatte angeordnet werden. Dieser
Kalibrierungsstreifen wird mit einer Leistungsquelle mit einem bekannten
Strom versehen, wobei es sich um den Kalibrierungsstreifen handeln
kann, der bereits oben unter Bezugnahme auf die 4 und 5 definiert wurde. In Schritt 9-4,
nach der Fertigung und während
des Testens, wird dann ein Spannungsabfall V1 über die Vias des Power Strips
und ein Spannungsabfall V2 über
die Vias des Kalibrierungsstreifens gemessen. Die Messung von V1
und V2 kann mit herkömmlichen
Einrichtungen erfolgen, oder mit Hilfe der oben beschriebenen Onboard-Schaltungsanordnung.
Sobald V1 und V2 bekannt sind, wird der Widerstand des Power Strips
in Schritt 9-5 bestimmt, und aus dem Widerstand wird die
Leistung der Schaltung in Schritt 9-6 berechnet. Die Berechnungen
können
mittels einer CPU oder einer Leistungsbestimmungsschaltung vorgenommen werden,
wie oben unter Bezugnahme auf die 2–7 gezeigt und beschrieben ist. Die Verarbeitung
endet in Schritt 9-7.
-
Obgleich
somit die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
der Zeichnung beispielhaft vollständig beschrieben wurde, ist
es leicht ersichtlich, dass viele Anderungen und Modifikationen
an der Erfindung und an den offen gelegten Ausführungsformen vorgenommen werden
können, ohne
den Schutzbereich der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Patentansprüchen zu verlassen.
Beispielsweise können
der Power Strip und der Kalibrierungsstreifen aus jeglichem bekannten
leitfähigen
Material, Halbleiter, oder anderen geeigneten Material bestehen.
Wenn des Weiteren die Temperatur der gesamten gedruckten Leiterplatte
bei Leistung konstant ist, wird nur ein Kalibrierungsstreifen für alle Schaltungen über die
gesamte Platine benötigt
(wobei jedoch immer noch wenigstens ein Power Strip pro Schaltung
benötigt
wird).