電源完整性測量對象和測量內(nèi)容

PI(Power Integrity)，即電源完整性，以前隸屬于信號完整性分析專題，但是因為PI足夠復(fù)雜和關(guān)鍵，現(xiàn)在已經(jīng)把其單獨拿出來作為一個專題去研究?？焖俣鴾?zhǔn)確的仿真電源完整性至今仍然是一個待突破的難題。

對于高速數(shù)字電路和系統(tǒng)，PI的研究對象是電源分配網(wǎng)絡(luò)PDN(Power Distribution Network)。以筆記本電腦為例，AC到DC電源適配器供給計算機(jī)主板的是一個約16V的直流電源，主板上的電源分配網(wǎng)絡(luò)要把這個16V直流電源變成各種電壓的直流電源(如：+-5V, +1.5V, +1.8V,+1.2V等等)，給CPU供電，給各個芯片供電。CPU和IC用電量很大，而且是動態(tài)耗電的，瞬時電流可能很大，也可能很小，但是電壓必須平穩(wěn)(即紋波和噪聲必須較小)，以保持CPU和IC的正常工作。這都對PDN提出了苛刻的要求。

要測量PDN性能，首先需要用示波器測試CPU和IC管腳的電源紋波和噪聲。但是要精確衡量PDN的性能，還需要測試PDN的輸出阻抗(隨頻率變化的阻抗)和PDN的傳輸阻抗(也是隨頻率變化的阻抗)，就像表征一個單端口網(wǎng)絡(luò)或雙端口網(wǎng)絡(luò)一樣去表征PDN。由于現(xiàn)在的PDN大都是開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，還需要測量PDN或關(guān)鍵DC到DC轉(zhuǎn)換器件的環(huán)路增益。

小結(jié)一下，電源完整性的測量對象是電源分配網(wǎng)絡(luò)PDN。主要測量內(nèi)容包括四部分：

紋波和噪聲的測量;

輸出阻抗的測量;

環(huán)路增益的測量;

濾波器件(電容/磁珠等)性能參數(shù)的測量。

電源紋波和噪聲測量

電源紋波和電源噪聲是一個比較容易混淆的概念，如下圖所示，藍(lán)色波形為電源紋波，紅色波形為電源噪聲。電源紋波的頻率為開關(guān)頻率的基波和諧波，而噪聲的頻率成分高于紋波，是由板上芯片高速I/O的開關(guān)切換產(chǎn)生的瞬態(tài)電流、供電網(wǎng)絡(luò)的寄生電感、電源平面和地平面之間的電磁輻射等諸多因素產(chǎn)生的。因此，在PMU側(cè)測量電源輸出為紋波，而在SINK端(耗電芯片端，如AP、EMMC、MODEM等)測量的是電源噪聲。

今天的電子電路(比如手機(jī)、服務(wù)器等領(lǐng)域)的切換速度、信號擺率比以前更高，同時芯片的封裝和信號擺幅卻越來越小，對噪聲更加敏感。因此，今天的電路設(shè)計者們比以前會更關(guān)心電源噪聲的影響。實時示波器是用來進(jìn)行電源噪聲測量的一種常用工具，但是如果使用方法不對可能會帶來完全錯誤的測量結(jié)果。

由于電源噪聲帶寬很寬，所以很多人會選擇示波器做電源噪聲測量。但是不能忽略的是，實時寬帶數(shù)字示波器以及其探頭都有其固有的噪聲。如果要測量的噪聲與示波器和探頭的噪聲在相同數(shù)量級，那么要進(jìn)行精確測量將是非常困難的一件事情。

示波器的主要噪聲來源于2個方面：示波器本身的噪聲和探頭的噪聲。

所有的實時示波器都使用衰減器和放大器來調(diào)整垂直量程。設(shè)置衰減以后示波器本身的噪聲會被放大。比如，當(dāng)不用衰減器時，示波器的基本量程是5mV/格，假設(shè)此時示波器此時的底噪聲是500uVRMS。當(dāng)把量程改成50mV/格時，示波器會在輸入電路中增加一個10：1的衰減器。為了顯示正確的電壓信號，示波器最后顯示時會把信號再放大10倍顯示。因此此時示波器的底噪聲看起來就有5mVRMS了。因此，測量噪聲時應(yīng)盡可能使用示波器最靈敏的量程檔。但是示波器在最靈敏檔下通常不具有足夠的偏置范圍可以把被測直流電壓拉到示波器屏幕中心范圍進(jìn)行測試，因此通常需要利用示波器的AC耦合功能把直流電平濾掉只測量AC成分。

現(xiàn)在有12bits的示波器上市，如安捷倫9000H系列示波器，其噪聲相對小的多，只有0.7v@100mv/格，所以，能夠用12bits示波器，則是最好的選擇。

基于同樣的原因，在電源測量中也應(yīng)該盡量使用1：1的探頭而不是示波器標(biāo)配的10：1的探頭。否則示波器的噪聲也會被放大。

探頭帶來的噪聲是在在衰減器前面耦合進(jìn)來的，因此無論衰減比設(shè)置多少，探頭貢獻(xiàn)的噪聲都是一定的。但是，在某些不正確的使用方法下，探頭可能會帶來額外的噪聲，一個典型的例子就是使用長地線。為了方便測試，示波器的的無源探頭通常會使用15cm左右的鱷魚夾形式的長地線，但是這對于電源紋波的測試卻是不適用的，特別是板上存在開關(guān)電源的場合。由于開關(guān)電源的切換會在空間產(chǎn)生大量的電磁輻射，而示波器探頭的長地線又恰恰相當(dāng)于一個天線，所以會從空間把大的電磁干擾引入測量電路。一個簡單的驗證方法就是把地線和探頭前端接在一起，靠近被測電路(不直接接觸)就可能在示波器上看到比較大的開關(guān)噪聲。因此測量過程中應(yīng)該使用盡可能短的地線。

現(xiàn)在很多被測件要求測量出峰峰值為幾毫伏的紋波和噪聲，比如有些10Gbps以上的SerDes要求3mv峰峰值的電源紋波和噪聲。這時候最好用同軸電纜來進(jìn)行測量，雖然同軸電纜的阻抗只有50歐姆，但是對于毫偶級別的被測電源來說，負(fù)載影響很小，測試精度非常高。

但是用同軸電纜，示波器設(shè)置為50歐姆輸入阻抗時，示波器都是DC耦合，這時候可有兩種處理手段：

其一，在被測的電源的接觸點放置電容。電容一邊連接被測件，一邊接觸同軸電纜。一般電容用0.1uF即可。

其二，制作電源測試探頭。最好做一個小的PCB，PCB兩端放置SMA接頭，中間裸露出來，可以用來放置電容。圖3是自制探頭的示例。

最后要注意的一點是，通常電源測試都規(guī)定了某個頻率范圍內(nèi)的紋波和噪聲，比如20MHz以內(nèi)的，而一般示波器的帶寬都大于這個要求，因此測試時可以打開示波器的帶寬限制功能，這對于減小高頻噪聲也會有比較好的效果。

小結(jié)一下，對于電源紋波噪聲的測試，通常需要注意以下幾點：

盡量使用自制的電源測試探頭

盡量使用12bits示波器

盡量使用示波器最靈敏的量程檔;

盡量使用AC耦合功能;

盡量使用小衰減比的探頭;

探頭的接地線盡量短;

根據(jù)需要使用帶寬限制功能;