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電源完整性測(cè)量對(duì)象和測(cè)量?jī)?nèi)容
發(fā)布時(shí)間:2018-06-27 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】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?。?,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2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。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,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(cè)量電路。一個(gè)簡(jiǎn)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(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。
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以內(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;
● 探頭的接地線盡量短;
● 根據(jù)需要使用帶寬限制功能;
電源分配網(wǎng)絡(luò)PDN輸出阻抗的測(cè)量
要衡量PDN性能,只用示波器測(cè)試CPU和IC管腳的電源紋波和噪聲是不夠的,而且出現(xiàn)問(wèn)題后也沒(méi)有辦法定位問(wèn)題。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。這就要用到網(wǎng)絡(luò)分析儀工具。
用網(wǎng)絡(luò)分析儀去測(cè)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(cè)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(cè)量的功能。
用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試毫歐級(jí)的輸出阻抗,不能簡(jiǎn)單的用一端口測(cè)試方法,因?yàn)樽杩固。瓷涮?。這時(shí)比較好的方法是用雙端口測(cè)試方法,測(cè)試時(shí)用S21代替S11。
假設(shè)探測(cè)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(cè)試毫歐級(jí)的輸出阻抗,也是用雙端口測(cè)試方法。
假設(shè)探測(cè)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(cè)量
如何探測(cè)?
要進(jìn)行電路板系統(tǒng)級(jí)PDN的測(cè)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(cè)時(shí),盡量不要在同一個(gè)面探測(cè),因?yàn)殡娏鳝h(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(cè),請(qǐng)盡量使用半剛性SMA電纜自制的短針探頭探測(cè)。
如果不需要進(jìn)行 kHz 級(jí)以下的測(cè)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(jiǎn)單的配置來(lái)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(cè)量。如果我們需要測(cè)量比較低的頻率響應(yīng),可用該儀器的增益-相位測(cè)試端口在 5 Hz 到 30 MHz 的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)量
隨著電子,自控,航天,通訊,醫(yī)療器械等技術(shù)不斷向深度和廣度的發(fā)展,勢(shì)必要求為其供電的電源要有更高的穩(wěn)定性,即不僅要有好的線性調(diào)節(jié)率、負(fù)載調(diào)節(jié)率還要有快速的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)。而這些因素都和控制環(huán)路有關(guān),控制環(huán)路一般工作在負(fù)反饋狀態(tài),稱(chēng)之為電壓負(fù)反饋。如果變換器中沒(méi)有用到反饋控制環(huán)路(即下圖1中H部分),其傳遞函數(shù)一般為 其中G為輸入濾波、功率變換、整流濾波部分等因數(shù)的乘積(因?yàn)槠錇榧?jí)聯(lián)的形式,所以本文中以總的乘積因子G來(lái)表示),可以看出輸出隨著輸入的變化而成線性的變化,但是由于整流、濾波網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)時(shí)域的非線性,實(shí)際上這種變化應(yīng)該是近似于線性,所以當(dāng)輸入電壓改變的時(shí)候并不能很好的起到穩(wěn)壓的作用;如果反饋環(huán)路設(shè)計(jì)的不好,對(duì)于負(fù)載的瞬態(tài)改變,環(huán)路不能做出及時(shí)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整,那么輸出電壓瞬間會(huì)偏高或者偏低,甚至有可能造成電源系統(tǒng)的振蕩,對(duì)下一級(jí)構(gòu)成損壞。此時(shí)能夠?qū)Νh(huán)路測(cè)量就顯得很重要了,那么環(huán)路部分又是怎樣影響整個(gè)回路的呢?參考金升陽(yáng)公司寬壓或者AC-DC系列產(chǎn)品,此時(shí)下圖表示的是反饋環(huán)路控制部分中的運(yùn)放的環(huán)增益模型,其傳遞函數(shù)為
其中G:開(kāi)環(huán)增益,H:反饋系數(shù),GH:環(huán)增益(可以通過(guò)圖1中推導(dǎo)看出)
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PSM1700 PSM1735 PSM2200 FRA5087 頻率響應(yīng)分析儀
一、環(huán)增益穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn):
由傳遞函數(shù)
有,因?yàn)榉糯笃鞯拈_(kāi)環(huán)增益G是頻率的函數(shù),會(huì)隨著頻率的增加而減小,同時(shí)也和放大器的相位有關(guān),當(dāng)GH= -1,則其傳遞函數(shù)的值為∞,即增益是無(wú)窮大的,可以認(rèn)為任意小的輸入擾動(dòng)都能引起輸出的無(wú)窮大,如果這種輸出無(wú)窮大的信號(hào)再反饋到功率變換環(huán)節(jié),勢(shì)必會(huì)造成最后輸出的振蕩,整個(gè)系統(tǒng)因而不再穩(wěn)壓。所以說(shuō)可以通過(guò)分析GH的增益和相位來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
又因?yàn)楫?dāng)GH= -1時(shí)是振蕩的,所以有相移∠GH是180°(因?yàn)樨?fù)反饋本身就有180°的相移),回路增益|GH|=1(0dB)。
所以要使運(yùn)放穩(wěn)定需要滿足以下條件:1.相位條件就是要其相移要小于180°,即要有45度以上的裕量;2.還要滿足增益條件即要有12dB以上的裕量;3.穿越頻率按20dB/Dec閉合。相關(guān)解釋下文給出。
二、Bode圖的基礎(chǔ):
由上文知我們可以通過(guò)環(huán)增益GH的頻率特性來(lái)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的頻率特性可以用Bode圖(見(jiàn)圖2)來(lái)表示,并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以通過(guò)Bode圖中的相位裕量(phase margin) ,增益裕量(gain margin),穿越頻率(crossover frequency)來(lái)衡量。其中
相位裕量(phase margin)是指:在頻率-相位曲線上,當(dāng)環(huán)路增益為單位增益時(shí)實(shí)際相位延遲與360deg 間的差值,以度(deg)為單位表示,見(jiàn)圖2。
增益裕量(gain margin)是指: 在頻率-增益曲線上,當(dāng)總相位延遲為360deg 時(shí),增益低于單位增益的量,以分貝(dB)為單位來(lái)表示,見(jiàn)圖2。
穿越頻率(crossover frequency)也有資料稱(chēng)之為頻帶寬度等是指:在頻率-增益曲線上,增益為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率值,見(jiàn)圖2。
Bode plot• Gain margin• Phase margin
相位裕量(phase margin)的作用,是確保在一定的條件下(包括元器件的誤差、輸入電壓變化、負(fù)載變化、溫升等)系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定,使用在標(biāo)稱(chēng)輸入額定負(fù)載室溫下,要有45度的裕量;如果輸入電壓、負(fù)載、溫度變化范圍非常大, 相位裕量不應(yīng)小于30度。
增益裕量(gain margin)為了不接近不穩(wěn)定點(diǎn),一般認(rèn)為12dB以上是必要的。
穿越頻率(crossover frequency)頻帶寬度的大小可以反映控制環(huán)路響應(yīng)的快慢。一般認(rèn)為帶寬越寬,其對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的抑制能力就越好,過(guò)沖、欠沖越小,恢復(fù)時(shí)間也就越快,系統(tǒng)從而可以更穩(wěn)定。但是由于受到右半平面零點(diǎn)的影響,以及原材料、運(yùn)放的帶寬不可能無(wú)窮大等綜合因素的限制,電源的帶寬也不能無(wú)限制提高,一般取開(kāi)關(guān)頻率的1/20~1/6。
三、環(huán)路的測(cè)試
對(duì)環(huán)路的增益和相位的測(cè)量,我們可以通??衫妙l率響應(yīng)分析儀(FRA)或增益-相位分析儀進(jìn)行測(cè)量。這些儀器是通過(guò)對(duì)采樣獲得的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換,再利用DFT(離散傅里葉變換)運(yùn)算求得增益和相位,最后用曲線(Bode plot)表示出來(lái)。
本文將以株式會(huì)社NF公司的頻率響應(yīng)分析儀(FRA5087)來(lái)做分析,主要按照下邊的接線圖來(lái)進(jìn)行,注意環(huán)節(jié)是注入電阻的位置,以及大小,為了減小測(cè)量誤差,實(shí)驗(yàn)一般選取50~100Ω的電阻;有關(guān)擾動(dòng)信號(hào)的大小我們可以在測(cè)試的過(guò)程中通過(guò)示波器來(lái)讀出,也可以利用FRA的振幅壓縮(Amplitude compression )功能來(lái)設(shè)置,不過(guò)要求擾動(dòng)的幅度不能超過(guò)輸出電壓的5%。否則測(cè)出來(lái)的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。
FRA測(cè)量時(shí)注入電阻的位置及接線。
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