電源完整性測(cè)試詳解～[20241003]

一.  電源完整性概述
電源完整性（Power Integrity）簡(jiǎn)稱PI，是確認(rèn)電源來源、目的端電壓以及電流是否符合需求。PI所研究的就是如何為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源分配網(wǎng)絡(luò)（Power Distribution Network，簡(jiǎn)稱PDN），確定從DC轉(zhuǎn)換器的輸出到芯片、板卡和系統(tǒng)的直流電源的質(zhì)量, 使得系統(tǒng)工作時(shí)，電源噪聲能夠得到有效控制，并充分抑制芯片工作時(shí)引起的電壓波動(dòng)、輻射和串?dāng)_。

電源完整性直接決定了產(chǎn)品的性能，如整機(jī)可靠性、信噪比與誤碼率，以及EMI/emc等重要指標(biāo)，正確測(cè)試和分析電源完整性也變得至關(guān)重要。PI以前隸屬于SI（Signal Integrity，信號(hào)完整性）專題，正是由于意識(shí)到它的重要性，目前研發(fā)人員已經(jīng)將其作為一個(gè)獨(dú)立的專題來研究。


二． PI測(cè)試的內(nèi)容

常見的PI測(cè)試指標(biāo)，包括周期性和隨機(jī)性擾動(dòng) (Periodic and Random Disturbances，簡(jiǎn)稱PARD)，即噪聲、紋波和瞬變；靜態(tài)和瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)；以及電源漂移。


  圖1  周期性和隨機(jī)性擾動(dòng)（PARD）測(cè)試
PARD是直流輸出電壓與其期望值的偏差，它通常用峰峰值（Vpp）來衡量。



  圖2  靜態(tài)或瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)測(cè)試
靜態(tài)或瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)測(cè)試，是對(duì)預(yù)定負(fù)載的指定輸出極限的測(cè)量。



  圖3  供電漂移測(cè)試
供電漂移測(cè)試的是供電幅度隨時(shí)間的變化和漂移，確認(rèn)是否在容限范圍之內(nèi)。

三． 電源完整性測(cè)試的挑戰(zhàn)

   1. 波形捕獲率對(duì)測(cè)試結(jié)果置信度的影響：

  圖4  波形樣本數(shù)越多測(cè)試結(jié)果越真實(shí)
噪聲RMS值的測(cè)量與給定的波形樣本數(shù)量和采樣間隔有關(guān)，測(cè)試樣本少，峰峰值小，RMS值偏大。而只有樣本數(shù)足夠多的情況，測(cè)試值才會(huì)更準(zhǔn)確。


  圖5  波形捕獲率低導(dǎo)致異常信號(hào)遺漏
傳統(tǒng)數(shù)字示波器在小信號(hào)狀態(tài)下無法觸發(fā)，示波器只能實(shí)現(xiàn)每秒20次左右的波形采集，波形捕獲間隔過大，樣本積累較慢，無法獲得準(zhǔn)確的RMS值。

  2.  uV級(jí)-mV級(jí)噪聲測(cè)試的挑戰(zhàn)：
隨著電子產(chǎn)品的功能增強(qiáng)，元器件密度增大及運(yùn)行頻率的升高，推動(dòng)了對(duì)更低電源電壓的需求。電路設(shè)計(jì)如DDR通常使用3.3V、1.8V、1.5V甚至1.2 V DC電源，每個(gè)電源的容差都比前幾代產(chǎn)品小。對(duì)于數(shù)字器件而言，電源噪聲/紋波的要求還在幾十mV量級(jí)，而對(duì)于模擬器件和混合器件而言，電源噪聲/紋波已經(jīng)到了100uV量級(jí)，乃至10uV量級(jí)。

工程師需要放大電源軌（Power Rail）以查找瞬變，測(cè)量紋波并分析其上的信號(hào)耦合。然而示波器通常在小量程的垂直檔位沒有足夠的直流偏置，無法將直流電源軌移動(dòng)到屏幕中心以進(jìn)行所需的測(cè)量。AC耦合的方式（在信號(hào)路徑中放置隔直電容或DC Block）可以消除偏移問題，但也會(huì)消除電源軌中相關(guān)的直流信息（如直流電源壓縮或低頻漂移）。

使用10倍衰減的探頭，有助于解決示波器直流偏置不夠的問題，但也會(huì)降低信噪比并對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生負(fù)面影響。

有的工程師將示波器的50Ω輸入與同軸電纜和隔直電容（DC Block）串來提供1 : 1的衰減比的探測(cè)方法，精度也更高，但這會(huì)導(dǎo)致被測(cè)試的電源負(fù)載變大，并且由于使用隔直電容也同樣導(dǎo)致丟失直流電源壓縮和低頻漂移信息。


圖6  采用同軸線纜和隔直電容測(cè)試紋波與噪音

  3. GHz級(jí)別寬帶噪聲測(cè)試能力的挑戰(zhàn)
直流電源上的紋波、噪聲和瞬變是數(shù)字系統(tǒng)中時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的主要來源。處理器、內(nèi)存和其他類似器件對(duì)直流電源的動(dòng)態(tài)負(fù)載隨著各自時(shí)鐘頻率而發(fā)生，并可能在直流電源上耦合高速瞬態(tài)變化和噪聲，它們包含了1 GHz以上的頻率成分。設(shè)計(jì)人員需要高帶寬的工具來評(píng)估和了解其直流電源軌上的高速噪聲和瞬變。
很多示波器在小量程測(cè)試時(shí)由于底噪過大而不得不限制帶寬，否則信號(hào)會(huì)被埋沒在噪音之中。如果我們需要達(dá)到GHz的PI測(cè)試能力，示波器的帶寬不能被限制。

   4. 特定頻帶內(nèi)的RMS噪聲測(cè)試及噪音的時(shí)/頻域相關(guān)分析
某些電路元器件要求在特定頻帶內(nèi)的RMS噪音在一定的范圍之內(nèi)，如某LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器件）手冊(cè)要求噪聲指標(biāo)為在10Hz到100KHz頻段為16uVrms。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，盡管噪聲參數(shù)會(huì)大于LDO的標(biāo)稱指標(biāo)，但數(shù)量級(jí)仍為uV-mV量級(jí)。
傳統(tǒng)的示波器雖然有簡(jiǎn)單FFT功能，但由于時(shí)域設(shè)置決定了其頻譜分析范圍，時(shí)頻域設(shè)置互鎖嚴(yán)重，頻域的放大并不能展示更多細(xì)節(jié)，導(dǎo)致其無法用于時(shí)/頻相關(guān)分析。


5. 探接方式的挑戰(zhàn)
電路形態(tài)各異，需要有更靈活的附件來進(jìn)行信號(hào)的探接。探接的穩(wěn)定性和寄生參數(shù)對(duì)被測(cè)電源電路的影響不可忽視。

四． 羅德與施瓦茨（R&S）的PI測(cè)試方案

R&S的PI測(cè)試方案包含示波器主機(jī)和Power Rail 電源軌探頭。


圖7  RTO（左）和RTE示波器（右）

▍ RTO/RTE示波器都具備高達(dá)1百萬次/s 的快速波形捕獲率，即使紋波/噪音這種長(zhǎng)波形采集場(chǎng)景也可以利用Free Run模式輕松超過1萬次/秒捕獲率。短時(shí)間內(nèi)累積到足夠的樣本量，有助于提高效率和測(cè)試準(zhǔn)確性。


圖8  周期性和隨機(jī)性擾動(dòng)（PARD）實(shí)測(cè)結(jié)果
▍ 硬件數(shù)字下變頻器（DDC）實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)頻譜分析功能，可以像使用專業(yè)頻譜儀一樣直接設(shè)定起始和終止頻率、SPAN、RBW。


  圖9  RTO示波器查找EMI耦合源（高頻FFT）
▍ RTE/RTO示波器配合HZ-15近場(chǎng)探頭可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路EMI騷擾源的排查。


圖10  2015年 DesignCon最佳EMI診斷工具獎(jiǎng)（RTE+HZ-15近場(chǎng)探頭）

RT-ZPR20（2GHz） / RT-ZPR40（4GHz） Power Rail電源軌探頭則是專為PI測(cè)試量身定做。


  圖11  RT-ZPR20/40關(guān)鍵參數(shù)
▍ 探頭衰減比為 1:1，在 1 GHz 、1 mV/div 時(shí)，探頭連示波器整體噪聲電壓僅為 120 μV。


圖12  10:1和1:1衰減比探頭測(cè)試結(jié)果對(duì)比

▍ 探頭高達(dá)+/-60V的內(nèi)置偏置能力，直觀顯示電源的直流成分以及低頻漂移，這與AC耦合或隔直電容方式容易丟失信號(hào)成分形成鮮明對(duì)比。


圖13  AC耦合方式和電源軌探頭直流偏置方式對(duì)低頻漂移特性的差異性
探頭50 kΩ 的高直流輸入阻抗可最大程度地降低對(duì)待測(cè)電源的干擾

探頭內(nèi)部集成式 16 位數(shù)字電壓計(jì)功能可同步讀取每路電源的直流電壓數(shù)值，并可一鍵精準(zhǔn)設(shè)置示波器的偏置值。

專用的同軸探測(cè)線纜可焊接到電源濾波電容的兩端，標(biāo)配的點(diǎn)測(cè)附件則便于PCB上不同位置的輕松探測(cè)。


  圖14  RTO-ZPR20/40的各種連接方式與帶寬


五．結(jié)語

當(dāng)今電子電路正在逐漸往高速、高密方向發(fā)展，而且很多電路還是射頻、模擬和數(shù)字邏輯電路相交叉，這對(duì)研發(fā)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。PI問題會(huì)導(dǎo)致信號(hào)回流路徑變化多端，從而引起信號(hào)質(zhì)量變差，連帶引起產(chǎn)品的EMI性能變差，直接影響最終PCB板的信號(hào)完整性。設(shè)計(jì)一個(gè)高質(zhì)量的PCB板，應(yīng)該從信號(hào)完整性（SI）和電源完整性（SI）兩個(gè)方面來考慮。R&S公司的RTE/RTO/RTP系列示波器不僅支持傳統(tǒng)的SI問題定位，加上RT-ZPR系列Power Rail電源軌探頭也很好地適用于PI的測(cè)試分析，幫助研發(fā)人員更快更好地開發(fā)出性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。






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