電源完整性測量對(duì)象和測量內(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)拿出來作為一個(gè)專題去研究。快速而準(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(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(duì)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

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(duì)可能會(huì)帶來完全錯(cuò)誤的測量結(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(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就有５ｍＶＲＭＳ了。因此，測量噪聲時(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(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(huì)帶來額外的噪聲，一個(gè)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(huì)使用１５ｃｍ左右的鱷魚夾形式的長地線，但是這對(duì)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(huì)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(gè)天線，所以會(huì)從空間把大的電磁干擾引入測量電路。一個(gè)簡單的驗(yàn)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(shí)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(duì)于毫偶級(jí)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(shí)，示波器都是DC耦合，這時(shí)候可有兩種處理手段：

其一，在被測的電源的接觸點(diǎn)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(gè)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(diǎn)是，通常電源測試都規(guī)定了某個(gè)頻率范圍內(nèi)的紋波和噪聲，比如２０ＭＨｚ以內(nèi)的，而一般示波器的帶寬都大于這個(gè)要求，因此測試時(shí)可以打開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試，通常需要注意以下幾點(diǎn)：

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；

PDN輸出阻抗的測量

要衡量PDN性能，只用示波器測試CPU和IC管腳的電源紋波和噪聲是不夠的，而且出現(xiàn)問題后也沒有辦法定位問題。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(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)或雙端口網(wǎng)絡(luò)一樣去表征PDN。這就要用到網(wǎng)絡(luò)分析儀工具。

用網(wǎng)絡(luò)分析儀去測試PDN，有兩大挑戰(zhàn)：

1、PDN的輸出阻抗和傳輸阻抗是豪歐級(jí)的（一般2m歐姆左右），想準(zhǔn)確測試，是一件比較困難的事情。

2、PDN工作時(shí)是帶直流電壓的，即帶偏置的，需要網(wǎng)絡(luò)分析儀有偏置測量的功能。

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試毫歐級(jí)的輸出阻抗，不能簡單的用一端口測試方法，因?yàn)樽杩固。瓷涮蟆＿@時(shí)比較好的方法是用雙端口測試方法，測試時(shí)用S21代替S11。

假設(shè)探測試電纜電感約為0，Z(DUT)遠(yuǎn)小于Zo（VNA端口阻抗），PDN輸出阻抗的計(jì)算公式如下：

ZDUT=Z11=S21x25

用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試毫歐級(jí)的輸出阻抗，也是用雙端口測試方法。

假設(shè)探測試電纜電感約為0，Z11，Z21，Z22遠(yuǎn)小于Zo，PDN傳輸阻抗的計(jì)算公式如下：

Z21=Z12=S21x25

電路板系統(tǒng)級(jí)PDN測量

如何探測？

要進(jìn)行電路板系統(tǒng)級(jí)PDN的測量，最好使用SMA連接器或半剛性SMA同軸電纜。SMA連接器中間是信號(hào)針，四周四個(gè)腳是地針，需要用鉗子把3個(gè)腳針剪掉，留下一個(gè)即可。半剛性SMA電纜則需要剪斷，露出中間的信號(hào)針，外包的屏蔽焊接短線供連接地用。

探測時(shí)，盡量不要在同一個(gè)面探測，因?yàn)殡娏鳝h(huán)路產(chǎn)生的磁場會(huì)使得探頭之間互相耦合，產(chǎn)生誤差。如果只能在一面探測，請(qǐng)盡量使用半剛性SMA電纜自制的短針探頭探測。

如果不需要進(jìn)行 kHz 級(jí)以下的測量，并且可以在連接電纜上使用磁心，我們可以用 E5061B VNA 的 S 參數(shù)端口和簡單的配置來對(duì)不加電或加電的系統(tǒng)電路板上的 PDN 阻抗進(jìn)行高達(dá) 3 GHz 的測量。如果我們需要測量比較低的頻率響應(yīng)，可用該儀器的增益－相位測試端口在 5 Hz 到 30 MHz 的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測量。在系統(tǒng)電路板應(yīng)用方面，直流－直流轉(zhuǎn)換器的高直流環(huán)路增益在它感應(yīng)線的連接點(diǎn)上保持著極低的低頻阻抗值。遠(yuǎn)離感應(yīng)點(diǎn)時(shí)，水平面電阻將使低頻值增大。這不是測量誤差，而是系統(tǒng)電路板 PDN 的實(shí)際特征。

DC-DC轉(zhuǎn)換器環(huán)路增益測量