第一章   電源完整性時域分析之示波器

第二章   電源完整性時域分析之測試探頭

第三章   電源完整性頻域分析之網(wǎng)絡分析儀

第四章   電源完整性仿真域之仿真軟件

第五章   電源完整性激勵域測試之碼型發(fā)生器

第六章   電源完整性測試之直流瞬態(tài)電壓及紋波噪聲模擬

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簡介

電源完整性，是指電源分配網(wǎng)絡的電壓和電流經(jīng)過直流轉(zhuǎn)換器、芯片、板卡和系統(tǒng)后，是否仍然符合要求。以筆記本電腦為例，AC 到 DC 電源適配器供給計算機主板的是一個約 16V 的直流電源，主板上的電源分配網(wǎng)絡要把這個 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），給 CPU 供電，給各個芯片供電。CPU 和 IC 是動態(tài)耗電的，瞬時電流可能很大，大到幾十甚至 100 多安培，也可能很小，小到低于 1mA， 但無論電流如何變化，電壓必須平穩(wěn)（即紋波和噪聲必須較?。?，以保持 CPU 和 IC 的正常工作，這對電源分配網(wǎng)絡的設計提出了苛刻的要求。我們常見的電腦藍屏現(xiàn)象，往往和電源完整性密切相關。

電源完整性，以前隸屬于信號完整性分析專題，但是因為它足夠復雜和關鍵，現(xiàn)在已經(jīng)把其單獨拿出來作為一個專題去研究。從測試和仿真的角度看，電源完整性和信號完整性是密不可分，相互關聯(lián)的，只不過側(cè)重有所不同。

不同的工程師日常所用的測試和驗證手段各不同的，對問題解讀和測試結(jié)果分析上也有差異，但總的來講，如上圖所示，有些工程師局限于電壓紋波測試，有些局限于使用網(wǎng)絡分析儀，也有一部分工程師使用專用的波特圖測試儀，近年來，越來越多的工程師使用內(nèi)置任意波發(fā)生器的示波器做波特圖測試。

示波器是一臺觀察信號表象的儀器，主要用來測量電源紋波和串擾等（MXR  示波器內(nèi)置頻譜分析儀還可測試頻域干擾），網(wǎng)絡分析儀則可以觀察問題本質(zhì)，在低頻幾個 Hz 到 3GHz 頻段內(nèi)分析阻抗和相位，而仿真軟件則可以實現(xiàn)仿測聯(lián)合，在仿真階段實現(xiàn)一致性測試，在測試階段實現(xiàn)不可測點的仿真，因而，對于電源完整性工程師來說，時域、頻域和仿真軟件三種不同的工具都是比不可以少的。

電源完整性測試系統(tǒng)的技術背景、方案配置和關鍵性能指標整理如下。感謝是德科技的技術工程師，汪世龍、萬俊輝、蔣修國、閆振龍和朱杰新，他們提供了更詳細的章節(jié)內(nèi)容，對每一部分進一步展開。

本文設計到的電源完整性測試系統(tǒng)配置：

示波器部分

●MXR254A ( 或 EXR254A) 2.5GHz 帶寬 10 比特示波器

●N7020A 2GHz 1:1 電源完整性探頭（2 根）

●N2870A 35MHz 1:1 無源探頭 (2 根)

●建議但不必須：D9110POWA 電源完整性分析軟件

●建議但不必須：N2820A 極小信號測試差分電壓和電流探頭 (500nA 或 3uV )●建議但不必須：CX3300 電流波形分析儀，14 或 16 比特分辨率，1GSa/s 采樣率

網(wǎng)絡分析儀部分

●E5061B(Opt 005，3L5) 網(wǎng)絡分析儀

●1250-1250(x2)，15442A

●85033E

●11667L

●8120-1840(x4)

●16201A(Opt 001)，16195B

●16092A，16192A(16192A/B/C/D，16197A 根據(jù)需要選擇），16047E

直流源激勵部分

●N7900 系列高級電源

●N6705B 直流電源分析儀 + N6762A DPS 模塊 + N6781A SMU 模塊

高速數(shù)字信號的電源完整性激勵部分

●81160A 脈沖碼型任意波發(fā)生器

仿真部分

●W2200 ADS 核心環(huán)境，W2302 瞬態(tài)卷積仿真軟件模塊，W2321 版圖編輯軟件模塊

●W2324 大規(guī)模版圖預處理器元件，W2341 Momentum G2 電路板電磁場分析及高級建模器軟件模塊

●W2342 FEM 頻域有限元電磁場仿真軟件模塊，W2401 EMPro 核心環(huán)境

電源完整性測試系統(tǒng)關鍵性能指標：

●紋波測試能力：￡3mv（P-P），具體取決于具體的被測對象，也有場合是 20mV 左右。

●阻抗測試能力：1 毫歐 ~ 50K 歐姆

●頻率范圍 ：5Hz ~ 3GHz

●基本測試精度 ：±2％

●SMD 器件測試能力：頻率 DC ~ 3GHz

●引腳器件測試能力：頻率 DC ~ 110MHz

●直流偏置范圍 ：0 ~ ±40V

電源完整性測試系統(tǒng)實現(xiàn)的測試功能 ：

●電源紋波 / 噪聲/ 串擾測量，干擾源定位

●直流 - 直流轉(zhuǎn)換器環(huán)路增益（幅度和相位）測量

●PDN（電源分配網(wǎng)絡）毫歐姆級阻抗測量

●濾波電容/ 旁路電容 / 磁珠等用于電源分配網(wǎng)絡的器件的阻抗和參數(shù)測量

●激勵響應測試

●仿真、仿測聯(lián)合

第一章     電源完整性時域分析之示波器

電源紋波和噪聲測量

選擇紋波和噪聲測量的方法，首先要確定是是在系統(tǒng)中測量還是在系統(tǒng)外測量，然后再確定采用直接測量還是間接測量。當然，還要選擇測量的域（時域或者頻域）。（就像測量信號幅值一樣，直接測量就是對紋波和 / 或噪聲進行測量。這是噪聲的一種絕對測試。另一個方面，間接測量測量的不是噪聲，而是噪聲影響。模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 的時鐘就是一個很好的例子。ADC 的噪聲水平與時鐘抖動密切相關，而時鐘抖動與電源噪聲緊密相關。在很多情況下，通過測量抖動來評估電源噪聲比直接測量信號噪聲更有意義）

因此，工程師選擇示波器做電源紋波和噪聲測量通常有如下幾個優(yōu)點：

1）時域?qū)用?，示波器能對紋波和噪聲進行最直觀的測量；

2）頻域?qū)用妫琈XR 示波器雖然不支持阻抗測試，但其內(nèi)置的實時頻譜分析儀功能，可幫助快速定位射頻干擾源；

3）系統(tǒng)內(nèi)測量 / 直接測量層面，靈活的探頭配置，勝任低本底噪聲下的紋波和噪聲測試 ；

4）系統(tǒng)外測量 / 間接測量層面，內(nèi)置豐富軟硬件功能支持多種系統(tǒng)級測試；

i.基于電源完整性的串擾分析軟件

ii.內(nèi)置任意波形發(fā)生器支持波特圖分析（環(huán)路響應測試）    iii.內(nèi)置任意波形發(fā)生器支持 PSRR 分析

實時數(shù)字示波器測試波形沒有問題，但示波器及其探頭都有其固有的本底噪聲。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，在不同的量程設置下，其對應的放大比或衰減比是不同的，示波器的本底噪聲也是不同的。以 MXR 系列示波器的 2GHz 型號 MXR0254A 為例，在滿帶寬，1mV/ div 設置下，其本底噪聲是 91uVrms，在 10mV/div 設置下其本底噪聲就變?yōu)?131uVrms，表 1 是 MXR 系列示波器在不同量程設置下的本底噪聲。從該表 1 我們可以得出一個結(jié)論，測量噪聲時應盡可能使用示波器最靈敏，也就是最小，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行測試，表 2 是常見示波器支持的偏置范圍，從表 2 我們可以得出第二個結(jié)論，沒有一臺示波器支持的偏置范圍可以覆蓋常見的直流電源被測對象，因此通常需要利用 N7020A 這樣的電源完整性專用探頭將直流偏置范圍提升到 +/-24V，否則，你要么使用 AC 耦合把直流電平濾掉只測量 AC 成分，要么使用隔直電容來完成測試，但所有示波器僅在 1M 歐姆輸入阻抗情況下支持 AC 耦合，在此條件下，示波器帶寬會降到 500MHz， 示波器自身的本底噪聲會變大 ；使用隔直電容的缺點是將直流成分去掉的同時，也會把極低頻信號濾除，電源信號本身就是低頻的，所以有機會把諸如電壓緩慢跌落等現(xiàn)象掩蓋了。表 1-1 ：MXR 系列示波器在不同量程設置下的本底噪聲，適用于電源完整性測試的設置最多只有 4 個，在圖中以綠色標示。大部分情況下，應該使用每格 1mV ~ 10mV 的設置。

表 1：對于電源紋波測試，建議使用最靈敏的垂直刻度，盡可能使用示波器的小量程，否則，示波器自身的本底噪聲會帶來較大的測量誤差， 該表給出 MXR 系列示波器在不同量程設置下的本底噪聲。

表 2 ：MXR 系列示波器本身的直流偏置范圍如上表所示，電源紋波測試一般使用示波器 50 歐姆輸入阻抗，這時，其直流偏置范圍有限。

MXR/EXR 系列示波器提供多款電源完整性分析套件：

1. 時域分析工具，開關電源分析軟件D9010PWRA，可通過輸入分析、開關器件表征和輸出分析嘞實現(xiàn)自動化的電源特性測量；

2. 頻域分析工具，內(nèi)置任意波形發(fā)生器搭配軟件D9010PWRA 進行頻率響應測量，例如電源抑制比（PSRR）和波特圖測試（控制環(huán)路響應分析）；

3. 電源軌和PMIC 完整性― D9010POWA（可按此型號搜索技術資料）分析工具，搭配N7020A 或N7024A 電源軌探頭。該分析應用程序讓用戶可以將直流電源定義為“受害者信號”或“侵略者信號”并量化所涉及的不利影響。

舉例 1 ：基于示波器平臺進行的環(huán)路響應測試（波特圖測試）

波特圖主要通過兩個裕量（增益裕量和相位裕量）來評估電源的穩(wěn)定性。若兩個裕量都大于 0，則電路不會震蕩。裕量越大，電路越穩(wěn)定。

舉例 2 ：基于示波器平臺進行的 PSRR 測試（電源抑制比）

PSRR 是衡量 dc - dc 變換器從輸入到輸出抑制噪聲的能力的指標。它被定義為在較寬的頻率范圍內(nèi)輸入紋波與輸出紋波的比值，并以 dB 為單位對頻率進行對數(shù)繪制。為了進行測量，Infiniium MXR（和 EXR）- 系列示波器使用自己內(nèi)置的 WaveGen 從用戶定義的開始頻率到用戶定義的停止頻率掃描輸入，同時測量每個步進頻率的VIN 和 VOUT。

舉例 3 ：基于 D9010POWA 搭配 N7020A/N7024A 的電源和數(shù)據(jù)線間的串擾測試，圖中所示為定義直流電源為“侵略者信號”，以此量化該“侵略者信號”對串行鏈路數(shù)據(jù) ―“受害者信號”所涉及的不利影響。

在這個例子中，N7020A 電源軌探頭被用來測量一個正在傳輸串行數(shù)據(jù)流的 FPGA 的 1.1V 電源。1.1 V 電源有大約 115 mVpp 的噪聲或大約 ±5% 的噪聲。

上圖 ：左圖，F(xiàn)PGA 直流電源和 MXR/EXR 系列示波器捕獲的串行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)線（黃線）；電源（藍線）。

通過 D9010POWA 的分析軟件，我們可以不用實際在直流電源上讓這個 1.1V 的供電變“干凈”，而是通過軟件分析出1.1V 電源上的噪聲造成了多大的影響。下圖展示的就是通過 D9010POWA 搭配 N7020A/N7024A 探頭測量， 來剔除由于 1.1V“不干凈”的電源對串行數(shù)據(jù)信號帶來的串擾影響的。

上圖 ：從上之下，串行數(shù)據(jù)和“不干凈”的 1.1V 直流電源信號，實測的由于電源串擾所影響的串行數(shù)據(jù)眼圖（眼寬 63ps）， D9010POWA 軟件推測的去除 1.1V“不干凈”直流電源信號后的串行數(shù)據(jù)眼圖（眼寬 117ps）。

第一章分享結(jié)束，即將分享：第二章   電源完整性時域分析之測試探頭

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