對於高速數字電路和係統
，PI的研究對象是電源分配網絡PDN（Power Distribution Network）。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等等），給CPU供電，給各個芯片供電。CPU和IC用電量很大，而且是動態耗電的，瞬時電流可能很大，也可能很小，但是電壓必須平穩（即紋波和噪聲必須較小）
，以保持CPU和IC的正常工作。這都對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），就像表征一個單端口網絡或雙端口網絡一樣去表征PDN。由於現在的PDN大都是開關電源結構，還需要測量PDN或關鍵DC到DC轉換器件的環路增益。

 

小結一下，電源完整性的測量對象是電源分配網絡PDN。主要測量內容包括四部分：

 

● 紋波和噪聲的測量；

● 輸出阻抗的測量；

● 環路增益的測量

；

● 濾波器件（電容/磁珠等）性能參數的測量。

 

電源紋波和噪聲測量

 

電源紋波和電源噪聲是一個比較容易混淆的概念，如下圖2所(suo)示(shi)，藍(lan)色(se)波(bo)形(xing)為(wei)電(dian)源(yuan)紋(wen)波(bo)
，紅(hong)色(se)波(bo)形(xing)為(wei)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)。電(dian)源(yuan)紋(wen)波(bo)的(de)頻(pin)率(lv)為(wei)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)基(ji)波(bo)和(he)諧(xie)波(bo)，而(er)噪(zao)聲(sheng)的(de)頻(pin)率(lv)成(cheng)分(fen)高(gao)於(yu)紋(wen)波(bo)
，是(shi)由(you)板(ban)上(shang)芯(xin)片(pian)高(gao)速(su)I/O的開關切換產生的瞬態電流、供電網絡的寄生電感、電源平麵和地平麵之間的電磁輻射等諸多因素產生的。因此，在PMU側測量電源輸出為紋波，而在SINK端（耗電芯片端，如AP、EMMC
、MODEM等）測量的是電源噪聲。

 

 

今天的電子電路（比如手機、服務器等領域）的切換速度、信(xin)號(hao)擺(bai)率(lv)比(bi)以(yi)前(qian)更(geng)高(gao)
，同(tong)時(shi)芯(xin)片(pian)的(de)封(feng)裝(zhuang)和(he)信(xin)號(hao)擺(bai)幅(fu)卻(que)越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao)，對(dui)噪(zao)聲(sheng)更(geng)加(jia)敏(min)感(gan)。因(yin)此(ci)，今(jin)天(tian)的(de)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)者(zhe)們(men)比(bi)以(yi)前(qian)會(hui)更(geng)關(guan)心(xin)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)。實(shi)時(shi)示(shi)波(bo)器(qi)是(shi)用(yong)來(lai)進(jin)行(xing)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)測(ce)量(liang)的(de)一(yi)種(zhong)常(chang)用(yong)工(gong)具(ju)，但(dan)是(shi)如(ru)果(guo)使(shi)用(yong)方(fang)法(fa)不(bu)對(dui)可(ke)能(neng)會(hui)帶(dai)來(lai)完(wan)全(quan)錯(cuo)誤(wu)的(de)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)。

 

由(you)於(yu)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)帶(dai)寬(kuan)很(hen)寬(kuan)，所(suo)以(yi)很(hen)多(duo)人(ren)會(hui)選(xuan)擇(ze)示(shi)波(bo)器(qi)做(zuo)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)測(ce)量(liang)。但(dan)是(shi)不(bu)能(neng)忽(hu)略(lve)的(de)是(shi)，實(shi)時(shi)寬(kuan)帶(dai)數(shu)字(zi)示(shi)波(bo)器(qi)以(yi)及(ji)其(qi)探(tan)頭(tou)都(dou)有(you)其(qi)固(gu)有(you)的(de)噪(zao)聲(sheng)。如(ru)果(guo)要(yao)測(ce)量(liang)的(de)噪(zao)聲(sheng)與(yu)示(shi)波(bo)器(qi)和(he)探(tan)頭(tou)的(de)噪(zao)聲(sheng)在(zai)相(xiang)同(tong)數(shu)量(liang)級(ji)，那(na)麼(me)要(yao)進(jin)行(xing)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)將(jiang)是(shi)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)的(de)一(yi)件(jian)事(shi)情(qing)。

 

示波器的主要噪聲來源於２個方麵：示波器本身的噪聲和探頭的噪聲。

 

所suo有you的de實shi時shi示shi波bo器qi都dou使shi用yong衰shuai減jian器qi和he放fang大da器qi來lai調tiao整zheng垂chui直zhi量liang程cheng。設she置zhi衰shuai減jian以yi後hou示shi波bo器qi本ben身shen的de噪zao聲sheng會hui被bei放fang大da。比bi如ru，當dang不bu用yong衰shuai減jian器qi時shi，示shi波bo器qi的de基ji本ben量liang程cheng是shi５ｍＶ/格
，假設此時示波器此時的底噪聲是５００ｕＶＲＭＳ。當把量程改成５０ｍＶ/格時，示波器會在輸入電路中增加一個１０：１的衰減器。為了顯示正確的電壓信號


，示波器最後顯示時會把信號再放大１０倍顯示。因此此時示波器的底噪聲看起來就有５ｍＶＲＭＳle。yinci，celiangzaoshengshiyingjinkenengshiyongshiboqizuilingmindeliangchengdang。danshishiboqizaizuilingmindangxiatongchangbujuyouzugoudepianzhifanweikeyibabeicezhiliudianyaladaoshiboqipingmuzhongxinfanweijinxingceshi，yincitongchangxuyaoliyongshiboqideＡＣ耦合功能把直流電平濾掉隻測量ＡＣ成分。

 

現在有12bits的示波器上市，如安捷倫9000H係列示波器，其噪聲相對小的多，隻有0.7v@100mv/格，所以，能夠用12bits示波器
，則是最好的選擇。

 

 

基於同樣的原因，在電源測量中也應該盡量使用１：１的探頭而不是示波器標配的１０：１的探頭。否則示波器的噪聲也會被放大。

 

探(tan)頭(tou)帶(dai)來(lai)的(de)噪(zao)聲(sheng)是(shi)在(zai)在(zai)衰(shuai)減(jian)器(qi)前(qian)麵(mian)耦(ou)合(he)進(jin)來(lai)的(de)，因(yin)此(ci)無(wu)論(lun)衰(shuai)減(jian)比(bi)設(she)置(zhi)多(duo)少(shao)，探(tan)頭(tou)貢(gong)獻(xian)的(de)噪(zao)聲(sheng)都(dou)是(shi)一(yi)定(ding)的(de)。但(dan)是(shi)
，在(zai)某(mou)些(xie)不(bu)正(zheng)確(que)的(de)使(shi)用(yong)方(fang)法(fa)下(xia)，探(tan)頭(tou)可(ke)能(neng)會(hui)帶(dai)來(lai)額(e)外(wai)的(de)噪(zao)聲(sheng)，一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)的(de)例(li)子(zi)就(jiu)是(shi)使(shi)用(yong)長(chang)地(di)線(xian)。為(wei)了(le)方(fang)便(bian)測(ce)試(shi)，示(shi)波(bo)器(qi)的(de)的(de)無(wu)源(yuan)探(tan)頭(tou)通(tong)常(chang)會(hui)使(shi)用(yong)１５ｃｍ左zuo右you的de鱷e魚yu夾jia形xing式shi的de長chang地di線xian，但dan是shi這zhe對dui於yu電dian源yuan紋wen波bo的de測ce試shi卻que是shi不bu適shi用yong的de，特te別bie是shi板ban上shang存cun在zai開kai關guan電dian源yuan的de場chang合he。由you於yu開kai關guan電dian源yuan的de切qie換huan會hui在zai空kong間jian產chan生sheng大da量liang的de電dian磁ci輻fu射she，而er示shi波bo器qi探tan頭tou的de長chang地di線xian又you恰qia恰qia相xiang當dang於yu一yi個ge天tian線xian，所suo以yi會hui從cong空kong間jian把ba大da的de電dian磁ci幹gan擾rao引yin入ru測ce量liang電dian路lu。一yi個ge簡jian單dan的de驗yan證zheng方fang法fa就jiu是shi把ba地di線xian和he探tan頭tou前qian端duan接jie在zai一yi起qi，靠kao近jin被bei測ce電dian路lu（不直接接觸）就可能在示波器上看到比較大的開關噪聲。因此測量過程中應該使用盡可能短的地線。

 

 

現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。這時候最好用同軸電纜來進行測量，雖然同軸電纜的阻抗隻有50歐姆
，但是對於毫偶級別的被測電源來說，負載影響很小，測試精度非常高。

 

但是用同軸電纜
，示波器設置為50歐姆輸入阻抗時

，示波器都是DC耦合，這時候可有兩種處理手段：

 

其一，在被測的電源的接觸點放置電容。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，製作電源測試探頭。最好做一個小的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是自製探頭的示例。

 

最後要注意的一點是

，通常電源測試都規定了某個頻率範圍內的紋波和噪聲，比如２０ＭＨｚyineide，eryibanshiboqidedaikuandoudayuzhegeyaoqiu，yinciceshishikeyidakaishiboqidedaikuanxianzhigongneng，zheduiyujianxiaogaopinzaoshengyehuiyoubijiaohaodexiaoguo。

 

小結一下，對於電源紋波噪聲的測試，通常需要注意以下幾點：

 

● 盡量使用自製的電源測試探頭

● 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；

● 根據需要使用帶寬限製功能；

 

電源分配網絡PDN輸出阻抗的測量

 

要衡量PDN性能，隻用示波器測試CPU和IC管腳的電源紋波和噪聲是不夠的，而且出現問題後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）
，就像表征一個單端口網絡或雙端口網絡一樣去表征PDN。這就要用到網絡分析儀工具。

 

用網絡分析儀去測試PDN，有兩大挑戰：

 

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

 

2、PDN工作時是帶直流電壓的，即帶偏置的，需要網絡分析儀有偏置測量的功能。

 

yongwangluofenxiyiceshihaooujideshuchuzukang
，bunengjiandandeyongyiduankouceshifangfa，yinweizukangtaixiao，fanshetaida。zheshibijiaohaodefangfashiyongshuangduankouceshifangfa，ceshishiyongS21代替S11。

 

假設探測試電纜電感約為0，Z(DUT)遠小於Zo（VNA端口阻抗）
，PDN輸出阻抗的計算公式如下：

 

ZDUT=Z11=S21x25

 

用網絡分析儀測試毫歐級的輸出阻抗，也是用雙端口測試方法。

 

假設探測試電纜電感約為0，Z11，Z21
，Z22遠小於Zo，PDN傳輸阻抗的計算公式如下：

 

Z21=Z12=S21x25

 

電路板係統級PDN測量

 

如何探測？

 

要進行電路板係統級PDN的測量，最好使用SMA連接器或半剛性SMA同軸電纜。SMA連接器中間是信號針，四周四個腳是地針
，需要用鉗子把3個腳針剪掉

，留下一個即可。半剛性SMA電纜則需要剪斷，露出中間的信號針

，外包的屏蔽焊接短線供連接地用。

 

探tan測ce時shi
，盡jin量liang不bu要yao在zai同tong一yi個ge麵mian探tan測ce，因yin為wei電dian流liu環huan路lu產chan生sheng的de磁ci場chang會hui使shi得de探tan頭tou之zhi間jian互hu相xiang耦ou合he
，產chan生sheng誤wu差cha。如ru果guo隻zhi能neng在zai一yi麵mian探tan測ce，請qing盡jin量liang使shi用yong半ban剛gang性xingSMA電纜自製的短針探頭探測。

 

如果不需要進行 kHz 級以下的測量，並且可以在連接電纜上使用磁心，我們可以用 E5061B VNA 的 S 參數端口和簡單的配置來對不加電或加電的係統電路板上的 PDN 阻抗進行高達 3 GHz 的測量。如果我們需要測量比較低的頻率響應，可用該儀器的增益－相位測試端口在 5 Hz 到 30 MHz 的頻率範圍內進行測量。在係統電路板應用方麵，直流－直zhi流liu轉zhuan換huan器qi的de高gao直zhi流liu環huan路lu增zeng益yi在zai它ta感gan應ying線xian的de連lian接jie點dian上shang保bao持chi著zhe極ji低di的de低di頻pin阻zu抗kang值zhi。遠yuan離li感gan應ying點dian時shi
，水shui平ping麵mian電dian阻zu將jiang使shi低di頻pin值zhi增zeng大da。這zhe不bu是shi測ce量liang誤wu差cha，而er是shi係xi統tong電dian路lu板ban PDN 的實際特征。

 

DC-DC轉換器環路增益測量

 

suizhedianzi，zikong，hangtian
，tongxun
，yiliaoqixiedengjishubuduanxiangshenduheguangdudefazhan
，shibiyaoqiuweiqigongdiandedianyuanyaoyougenggaodewendingxing，jibujinyaoyouhaodexianxingtiaojielv
、負(fu)載(zai)調(tiao)節(jie)率(lv)還(hai)要(yao)有(you)快(kuai)速(su)的(de)動(dong)態(tai)負(fu)載(zai)響(xiang)應(ying)。而(er)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)都(dou)和(he)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)有(you)關(guan)，控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)一(yi)般(ban)工(gong)作(zuo)在(zai)負(fu)反(fan)饋(kui)狀(zhuang)態(tai)

，稱(cheng)之(zhi)為(wei)電(dian)壓(ya)負(fu)反(fan)饋(kui)。如(ru)果(guo)變(bian)換(huan)器(qi)中(zhong)沒(mei)有(you)用(yong)到(dao)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)（即下圖1中H部分）
，其傳遞函數一般為 其中G為輸入濾波
、功率變換
、整流濾波部分等因數的乘積（因為其為級聯的形式
，所以本文中以總的乘積因子G來表示），可以看出輸出隨著輸入的變化而成線性的變化，但是由於整流、濾波網絡在整個時域的非線性，實際上這種變化應該是近似於線性，所以當輸入電壓改變的時候並不能很好的起到穩壓的作用；如(ru)果(guo)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu)設(she)計(ji)的(de)不(bu)好(hao)

，對(dui)於(yu)負(fu)載(zai)的(de)瞬(shun)態(tai)改(gai)變(bian)
，環(huan)路(lu)不(bu)能(neng)做(zuo)出(chu)及(ji)時(shi)恰(qia)當(dang)的(de)調(tiao)整(zheng)，那(na)麼(me)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)瞬(shun)間(jian)會(hui)偏(pian)高(gao)或(huo)者(zhe)偏(pian)低(di)，甚(shen)至(zhi)有(you)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)的(de)振(zhen)蕩(dang)，對(dui)下(xia)一(yi)級(ji)構(gou)成(cheng)損(sun)壞(huai)。此(ci)時(shi)能(neng)夠(gou)對(dui)環(huan)路(lu)測(ce)量(liang)就(jiu)顯(xian)得(de)很(hen)重(zhong)要(yao)了(le)，那(na)麼(me)環(huan)路(lu)部(bu)分(fen)又(you)是(shi)怎(zen)樣(yang)影(ying)響(xiang)整(zheng)個(ge)回(hui)路(lu)的(de)呢(ne)
？參(can)考(kao)金(jin)升(sheng)陽(yang)公(gong)司(si)寬(kuan)壓(ya)或(huo)者(zhe)AC-DC係列產品
，此時下圖表示的是反饋環路控製部分中的運放的環增益模型，其傳遞函數為

 

 

其中G：開環增益
，H：反饋係數，GH：環增益（可以通過圖1中推導看出）

 

 

Feed back

 

 

PSM1700 PSM1735 PSM2200 FRA5087 頻率響應分析儀

 

一
、環增益穩定的標準：

 

由傳遞函數

 

有，因為放大器的開環增益G是頻率的函數，會隨著頻率的增加而減小，同時也和放大器的相位有關，當GH= -1，則其傳遞函數的值為∞，即ji增zeng益yi是shi無wu窮qiong大da的de，可ke以yi認ren為wei任ren意yi小xiao的de輸shu入ru擾rao動dong都dou能neng引yin起qi輸shu出chu的de無wu窮qiong大da，如ru果guo這zhe種zhong輸shu出chu無wu窮qiong大da的de信xin號hao再zai反fan饋kui到dao功gong率lv變bian換huan環huan節jie，勢shi必bi會hui造zao成cheng最zui後hou輸shu出chu的de振zhen蕩dang，整zheng個ge係xi統tong因yin而er不bu再zai穩wen壓ya。所suo以yi說shuo可ke以yi通tong過guo分fen析xiGH的增益和相位來判斷係統的穩定性。

 

又因為當GH= -1時是振蕩的，所以有相移∠GH是180°（因為負反饋本身就有180°的相移），回路增益|GH|=1（0dB）。

 

所以要使運放穩定需要滿足以下條件：1.相位條件就是要其相移要小於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。相關解釋下文給出。

 

二
、Bode圖的基礎：

 

由上文知我們可以通過環增益GH的頻率特性來判斷係統的穩定性，而回路增益|GH|以及回路相位差∠GH的頻率特性可以用Bode圖(見圖2)來表示，並且係統的穩定性可以通過Bode圖中的相位裕量(phase margin) ,增益裕量(gain margin)


，穿越頻率(crossover frequency)來衡量。其中

 

相位裕量(phase margin)是指：在頻率-相位曲線上，當環路增益為單位增益時實際相位延遲與360deg 間的差值，以度(deg)為單位表示
，見圖2。

 

增益裕量(gain margin)是指: 在頻率-增益曲線上，當總相位延遲為360deg 時，增益低於單位增益的量，以分貝(dB)為單位來表示，見圖2。

 

穿越頻率(crossover frequency)也有資料稱之為頻帶寬度等是指：在頻率-增益曲線上
，增益為零時所對應的頻率值，見圖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、負載變化、溫升等）係統都能夠穩定,使用在標稱輸入額定負載室溫下,要有45度的裕量
；如果輸入電壓
、負載、溫度變化範圍非常大, 相位裕量不應小於30度。

 

增益裕量(gain margin)為了不接近不穩定點，一般認為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製環路響應的快慢。一般認為帶寬越寬
，其對負載動態響應的抑製能力就越好，過衝、欠衝越小，恢複時間也就越快，係統從而可以更穩定。但是由於受到右半平麵零點的影響
，以及原材料、運放的帶寬不可能無窮大等綜合因素的限製，電源的帶寬也不能無限製提高，一般取開關頻率的1/20~1/6。

 

三、環路的測試

 

對環路的增益和相位的測量，我們可以通常可利用頻率響應分析儀(FRA)或增益-相位分析儀進行測量。這些儀器是通過對采樣獲得的模擬信號進行預處理，然後通過A/D轉換，再利用DFT（離散傅裏葉變換）運算求得增益和相位，最後用曲線（Bode plot）表示出來。

 

本文將以株式會社NF公司的頻率響應分析儀(FRA5087)來做分析，主要按照下邊的接線圖來進行，注意環節是注入電阻的位置，以及大小，為了減小測量誤差，實驗一般選取50~100Ω的電阻
；有關擾動信號的大小我們可以在測試的過程中通過示波器來讀出
，也可以利用FRA的振幅壓縮（Amplitude compression ）功能來設置

，不過要求擾動的幅度不能超過輸出電壓的5%。否則測出來的結果是不準確的。

 

 

FRA測量時注入電阻的位置及接線。

 

 

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