電源完整性測(cè)量對(duì)象和測(cè)量?jī)?nèi)容

PI(Power Integrity)，即電源完整性，以前隸屬于信號(hào)完整性分析專(zhuān)題，但是因?yàn)镻I足夠復(fù)雜和關(guān)鍵，現(xiàn)在已經(jīng)把其單獨(dú)拿出來(lái)作為一個(gè)專(zhuān)題去研究?？焖俣鴾?zhǔn)確的仿真電源完整性至今仍然是一個(gè)待突破的難題。

對(duì)于高速數(shù)字電路和系統(tǒng)，PI的研究對(duì)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(jì)算機(jī)主板的是一個(gè)約16V的直流電源，主板上的電源分配網(wǎng)絡(luò)要把這個(gè)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(gè)芯片供電。CPU和IC用電量很大，而且是動(dòng)態(tài)耗電的，瞬時(shí)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(duì)PDN提出了苛刻的要求。

要測(cè)量PDN性能，首先需要用示波器測(cè)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(cè)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(gè)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(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)，還需要測(cè)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(cè)量對(duì)象是電源分配網(wǎng)絡(luò)PDN。主要測(cè)量?jī)?nèi)容包括四部分：

紋波和噪聲的測(cè)量;

輸出阻抗的測(cè)量;

環(huán)路增益的測(cè)量;

濾波器件(電容/磁珠等)性能參數(shù)的測(cè)量。

電源紋波和噪聲測(cè)量

電源紋波和電源噪聲是一個(gè)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(kāi)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(mǎi)/O的開(kāi)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(cè)量電源輸出為紋波，而在SINK端(耗電芯片端，如AP、EMMC、MODEM等)測(cè)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(hào)擺率比以前更高，同時(shí)芯片的封裝和信號(hào)擺幅卻越來(lái)越小，對(duì)噪聲更加敏感。因此，今天的電路設(shè)計(jì)者們比以前會(huì)更關(guān)心電源噪聲的影響。實(shí)時(shí)示波器是用來(lái)進(jìn)行電源噪聲測(cè)量的一種常用工具，但是如果使用方法不對(duì)可能會(huì)帶來(lái)完全錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。

由于電源噪聲帶寬很寬，所以很多人會(huì)選擇示波器做電源噪聲測(cè)量。但是不能忽略的是，實(shí)時(shí)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(cè)量的噪聲與示波器和探頭的噪聲在相同數(shù)量級(jí)，那么要進(jìn)行精確測(cè)量將是非常困難的一件事情。

示波器的主要噪聲來(lái)源于2個(gè)方面：示波器本身的噪聲和探頭的噪聲。

所有的實(shí)時(shí)示波器都使用衰減器和放大器來(lái)調(diào)整垂直量程。設(shè)置衰減以后示波器本身的噪聲會(huì)被放大。比如，當(dāng)不用衰減器時(shí)，示波器的基本量程是5mV/格，假設(shè)此時(shí)示波器此時(shí)的底噪聲是500uVRMS。當(dāng)把量程改成50mV/格時(shí)，示波器會(huì)在輸入電路中增加一個(gè)10：1的衰減器。為了顯示正確的電壓信號(hào)，示波器最后顯示時(shí)會(huì)把信號(hào)再放大10倍顯示。因此此時(shí)示波器的底噪聲看起來(lái)就有5mVRMS了。因此，測(cè)量噪聲時(shí)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(cè)直流電壓拉到示波器屏幕中心范圍進(jìn)行測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(huì)被放大。

探頭帶來(lái)的噪聲是在在衰減器前面耦合進(jìn)來(lái)的，因此無(wú)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(huì)帶來(lái)額外的噪聲，一個(gè)典型的例子就是使用長(zhǎng)地線(xiàn)。為了方便測(cè)試，示波器的的無(wú)源探頭通常會(huì)使用15cm左右的鱷魚(yú)夾形式的長(zhǎng)地線(xiàn)，但是這對(duì)于電源紋波的測(cè)試卻是不適用的，特別是板上存在開(kāi)關(guān)電源的場(chǎng)合。由于開(kāi)關(guān)電源的切換會(huì)在空間產(chǎn)生大量的電磁輻射，而示波器探頭的長(zhǎng)地線(xiàn)又恰恰相當(dāng)于一個(gè)天線(xiàn)，所以會(huì)從空間把大的電磁干擾引入測(cè)量電路。一個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證方法就是把地線(xiàn)和探頭前端接在一起，靠近被測(cè)電路(不直接接觸)就可能在示波器上看到比較大的開(kāi)關(guān)噪聲。因此測(cè)量過(guò)程中應(yīng)該使用盡可能短的地線(xiàn)。

現(xiàn)在很多被測(cè)件要求測(cè)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(shí)候最好用同軸電纜來(lái)進(jìn)行測(cè)量，雖然同軸電纜的阻抗只有50歐姆，但是對(duì)于毫偶級(jí)別的被測(cè)電源來(lái)說(shuō)，負(fù)載影響很小，測(cè)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(shí)，示波器都是DC耦合，這時(shí)候可有兩種處理手段：

其一，在被測(cè)的電源的接觸點(diǎn)放置電容。電容一邊連接被測(cè)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(cè)試探頭。最好做一個(gè)小的PCB，PCB兩端放置SMA接頭，中間裸露出來(lái)，可以用來(lái)放置電容。圖3是自制探頭的示例。

最后要注意的一點(diǎn)是，通常電源測(cè)試都規(guī)定了某個(gè)頻率范圍內(nèi)的紋波和噪聲，比如20MHz以?xún)?nèi)的，而一般示波器的帶寬都大于這個(gè)要求，因此測(cè)試時(shí)可以打開(kāi)示波器的帶寬限制功能，這對(duì)于減小高頻噪聲也會(huì)有比較好的效果。

小結(jié)一下，對(duì)于電源紋波噪聲的測(cè)試，通常需要注意以下幾點(diǎn)：

盡量使用自制的電源測(cè)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(xiàn)盡量短;

根據(jù)需要使用帶寬限制功能;