電源完整性測試詳解～[20241003]

一.  電源完整性概述
電源完整性（Power Integrity）簡稱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系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定可靠的電源分配網(wǎng)絡(luò)（Power Distribution Network，簡稱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，電源噪聲能夠得到有效控制，并充分抑制芯片工作時引起的電壓波動、輻射和串?dāng)_。

電源完整性直接決定了產(chǎn)品的性能，如整機可靠性、信噪比與誤碼率，以及EMI/emc等重要指標(biāo)，正確測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，信號完整性）專題，正是由于意識到它的重要性，目前研發(fā)人員已經(jīng)將其作為一個獨立的專題來研究。


二． PI測試的內(nèi)容

常見的PI測試指標(biāo)，包括周期性和隨機性擾動 (Periodic and Random Disturbances，簡稱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  周期性和隨機性擾動（PARD）測試
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)測試
靜態(tài)或瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)測試，是對預(yù)定負(fù)載的指定輸出極限的測量。



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

三． 電源完整性測試的挑戰(zhàn)

   1. 波形捕獲率對測試結(jié)果置信度的影響：

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


  圖5  波形捕獲率低導(dǎo)致異常信號遺漏
傳統(tǒng)數(shù)字示波器在小信號狀態(tài)下無法觸發(fā)，示波器只能實現(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-mV級噪聲測試的挑戰(zhàn)：
隨著電子產(chǎn)品的功能增強，元器件密度增大及運行頻率的升高，推動了對更低電源電壓的需求。電路設(shè)計如DDR通常使用3.3V、1.8V、1.5V甚至1.2 V DC電源，每個電源的容差都比前幾代產(chǎn)品小。對于數(shù)字器件而言，電源噪聲/紋波的要求還在幾十mV量級，而對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，乃至10uV量級。

工程師需要放大電源軌（Power Rail）以查找瞬變，測量紋波并分析其上的信號耦合。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到屏幕中心以進(jìn)行所需的測量。AC耦合的方式（在信號路徑中放置隔直電容或DC Block）可以消除偏移問題，但也會消除電源軌中相關(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，但也會降低信噪比并對測量精度產(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的衰減比的探測方法，精度也更高，但這會導(dǎo)致被測試的電源負(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試紋波與噪音

  3. GHz級別寬帶噪聲測試能力的挑戰(zhàn)
直流電源上的紋波、噪聲和瞬變是數(shù)字系統(tǒng)中時鐘和數(shù)據(jù)抖動的主要來源。處理器、內(nèi)存和其他類似器件對直流電源的動態(tài)負(fù)載隨著各自時鐘頻率而發(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)計人員需要高帶寬的工具來評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試時由于底噪過大而不得不限制帶寬，否則信號會被埋沒在噪音之中。如果我們需要達(dá)到GHz的PI測試能力，示波器的帶寬不能被限制。

   4. 特定頻帶內(nèi)的RMS噪聲測試及噪音的時/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）手冊要求噪聲指標(biāo)為在10Hz到100KHz頻段為16uVrms。對于系統(tǒng)級測試，盡管噪聲參數(shù)會大于LDO的標(biāo)稱指標(biāo)，但數(shù)量級仍為uV-mV量級。
傳統(tǒng)的示波器雖然有簡單FFT功能，但由于時域設(shè)置決定了其頻譜分析范圍，時頻域設(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/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)行信號的探接。探接的穩(wěn)定性和寄生參數(shù)對被測電源電路的影響不可忽視。

四． 羅德與施瓦茨（R&S）的PI測試方案

R&S的PI測試方案包含示波器主機和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/噪音這種長波形采集場景也可以利用Free Run模式輕松超過1萬次/秒捕獲率。短時間內(nèi)累積到足夠的樣本量，有助于提高效率和測試準(zhǔn)確性。


圖8  周期性和隨機性擾動（PARD）實測結(jié)果
▍ 硬件數(shù)字下變頻器（DDC）實現(xiàn)的實時頻譜分析功能，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近場探頭可以實現(xiàn)對電路EMI騷擾源的排查。


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

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


  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，探頭連示波器整體噪聲電壓僅為 120 μV。


圖12  10:1和1:1衰減比探頭測試結(jié)果對比

▍ 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成分形成鮮明對比。


圖13  AC耦合方式和電源軌探頭直流偏置方式對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待測電源的干擾

探頭內(nèi)部集成式 16 位數(shù)字電壓計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。

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


  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，這對研發(fā)提出了嚴(yán)峻的考驗。PI問題會導(dǎo)致信號回流路徑變化多端，從而引起信號質(zhì)量變差，連帶引起產(chǎn)品的EMI性能變差，直接影響最終PCB板的信號完整性。設(shè)計一個高質(zhì)量的PCB板，應(yīng)該從信號完整性（SI）和電源完整性（SI）兩個方面來考慮。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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