电源完整性测试的挑战与解决方案

出处:罗德与施瓦茨 发布于:2022-07-19 16:50:23

    一.  电源完整性概述
电源完整性(Power Integrity)简称PI,是确认电源、目的端电压以及电流是否符合需求。PI所研究的就是如何为整个系统提供一个稳定可靠的电源分配网络(Power DistribuTIon Network,简称PDN),确定从DC转换器的输出到芯片、板卡和系统的直流电源的质量, 使得系统工作时,电源噪声能够得到有效控制,并充分抑制芯片工作时引起的电压波动、辐射和串扰。
电源完整性直接决定了产品的性能,如整机可靠性、信噪比与误码率,以及EMI/EMC等重要指标,正确测试和分析电源完整性也变得至关重要。PI以前隶属于SI(Signal Integrity,信号完整性)专题,正是由于意识到它的重要性,目前研发人员已经将其作为一个独立的专题来研究。
二. PI测试的内容
常见的PI测试指标,包括周期性和随机性扰动 (Periodic and Random Disturbances,简称PARD),即噪声、纹波和瞬变;静态和瞬态负载响应;以及电源漂移。
图1  周期性和随机性扰动(PARD)测试
PARD是直流输出电压与其期望值的偏差,它通常用峰峰值(Vpp)来衡量。
图2  静态或瞬态负载响应测试
静态或瞬态负载响应测试,是对预定负载的指定输出极限的测量。

图3  供电漂移测试
供电漂移测试的是供电幅度随时间的变化和漂移,确认是否在容限范围之内。
三. 电源完整性测试的挑战
1. 波形捕获率对测试结果置信度的影响:
图4  波形样本数越多测试结果越真实
噪声RMS值的测量与给定的波形样本数量和采样间隔有关,测试样本少,峰峰值小,RMS值偏大。而只有样本数足够多的情况,测试值才会更准确。
图5  波形捕获率低导致异常信号遗漏
传统数字示波器在小信号状态下无法触发,示波器只能实现每秒20次左右的波形采集,波形捕获间隔过大,样本积累较慢,无法获得准确的RMS值。
2.  uV级-mV级噪声测试的挑战:
随着电子产品的功能增强,元器件密度增大及运行频率的升高,推动了对更低电源电压的需求。电路设计如DDR通常使用3.3V、1.8V、1.5V甚至1.2 V DC电源,每个电源的容差都比前几代产品小。对于数字器件而言,电源噪声/纹波的要求还在几十mV量级,而对于模拟器件和混合器件而言,电源噪声/纹波已经到了100uV量级,乃至10uV量级。
工程师需要放大电源轨(Power Rail)以查找瞬变,测量纹波并分析其上的信号耦合。然而示波器通常在小量程的垂直档位没有足够的直流偏置,无法将直流电源轨移动到屏幕中心以进行所需的测量。AC耦合的方式(在信号路径中放置隔直电容或DC Block)可以消除偏移问题,但也会消除电源轨中相关的直流信息(如直流电源压缩或低频漂移)。
使用10倍衰减的探头,有助于解决示波器直流偏置不够的问题,但也会降低信噪比并对测量精度产生负面影响。
有的工程师将示波器的50Ω输入与同轴电缆和隔直电容(DC Block)串来提供1 : 1的衰减比的探测方法,精度也更高,但这会导致被测试的电源负载变大,并且由于使用隔直电容也同样导致丢失直流电源压缩和低频漂移信息。
图6  采用同轴线缆和隔直电容测试纹波与噪音
3. GHz级别宽带噪声测试能力的挑战
直流电源上的纹波、噪声和瞬变是数字系统中时钟和数据抖动的主要。处理器、内存和其他类似器件对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生,并可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声,它们包含了1 GHz以上的频率成分。设计人员需要高带宽的工具来评估和了解其直流电源轨上的高速噪声和瞬变。
很多示波器在小量程测试时由于底噪过大而不得不限制带宽,否则信号会被埋没在噪音之中。如果我们需要达到GHz的PI测试能力,示波器的带宽不能被限制。
4. 特定频带内的RMS噪声测试及噪音的时/频域相关分析
某些电路元器件要求在特定频带内的RMS噪音在一定的范围之内,如某LDO(低压差线性稳压器件)手册要求噪声指标为在10Hz到100KHz频段为16uVrms。对于系统级测试,尽管噪声参数会大于LDO的标称指标,但数量级仍为uV-mV量级。
传统的示波器虽然有简单FFT功能,但由于时域设置决定了其频谱分析范围,时频域设置互锁严重,频域的放大并不能展示更多细节,导致其无法用于时/频相关分析。
5. 探接方式的挑战
电路形态各异,需要有更灵活的附件来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视。
四. 罗德与施瓦茨(R&S)的PI测试方案
R&S的PI测试方案包含示波器主机和Power Rail 电源轨探头。
图7  RTO(左)和RTE示波器(右)
▍ RTO/RTE示波器都具备高达1百万次/s 的快速波形捕获率,即使纹波/噪音这种长波形采集场景也可以利用Free Run模式轻松超过1万次/秒捕获率。短时间内累积到足够的样本量,有助于提高效率和测试准确性。
图8  周期性和随机性扰动(PARD)实测结果
▍ 硬件数字下变频器(DDC)实现的实时频谱分析功能,可以像使用频谱仪一样直接设定起始和终止频率、SPAN、RBW。
图9  RTO示波器查找EMI耦合源(高频FFT)
▍ RTE/RTO示波器配合HZ-15近场探头可以实现对电路EMI骚扰源的排查。
图10  2015年 DesignConEMI诊断工具奖(RTE+HZ-15近场探头)
RT-ZPR20(2GHz) / RT-ZPR40(4GHz) Power Rail电源轨探头则是专为PI测试量身定做。
图11  RT-ZPR20/40关键参数
▍ 探头衰减比为 1:1,在 1 GHz 、1 mV/div 时,探头连示波器整体噪声电压仅为 120 μV。
图12  10:1和1:1衰减比探头测试结果对比
▍ 探头高达+/-60V的内置偏置能力,直观显示电源的直流成分以及低频漂移,这与AC耦合或隔直电容方式容易丢失信号成分形成鲜明对比。
图13  AC耦合方式和电源轨探头直流偏置方式对低频漂移特性的差异性
探头50 kΩ 的高直流输入阻抗可地降低对待测电源的干扰
探头内部集成式 16 位数字电压计功能可同步读取每路电源的直流电压数值,并可一键精准设置示波器的偏置值。
专用的同轴探测线缆可焊接到电源滤波电容的两端,标配的点测附件则便于PCB上不同位置的轻松探测。
图14  RTO-ZPR20/40的各种连接方式与带宽
五.结语
当今电子电路正在逐渐往高速、高密方向发展,而且很多电路还是射频、模拟和数字逻辑电路相交叉,这对研发提出了严峻的考验。PI问题会导致信号回流路径变化多端,从而引起信号质量变差,连带引起产品的EMI性能变差,直接影响终PCB板的信号完整性。设计一个高质量的PCB板,应该从信号完整性(SI)和电源完整性(SI)两个方面来考虑。R&S公司的RTE/RTO/RTP系列示波器不仅支持传统的SI问题定位,加上RT-ZPR系列Power Rail电源轨探头也很好地适用于PI的测试分析,帮助研发人员更快更好地开发出性能稳定的产品。

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