電源軌測(cè)量入門(mén)應(yīng)用指南

當(dāng)今大多數(shù)電子設(shè)計(jì)需要許多不同的電源電壓才能正常工作。事實(shí)上，給定電路中的許多組件都需要多個(gè)電壓。對(duì)于多種技術(shù)接口在一起的高度集成的片上系統(tǒng)和微處理器設(shè)計(jì)尤其如此。

由于多種因素，執(zhí)行直流電源軌測(cè)量變得越來(lái)越困難：

電源效率功能，例如電源門(mén)控、動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)或 DVFS

具有快速瞬變的動(dòng)態(tài)負(fù)載

串?dāng)_和耦合增加

具有更快上升時(shí)間的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

這就引出了一個(gè)重要的問(wèn)題：面對(duì)所有這些挑戰(zhàn)，如何確保系統(tǒng)的每個(gè)部分獲得正確的電源來(lái)滿足其需求?

首先，讓我們從高層次來(lái)了解一下電源軌及其一些特性。

檢查每條直流線路以確定所提供的電源是否在目標(biāo)系統(tǒng)或設(shè)備的容差范圍內(nèi)非常重要。這包括線路的標(biāo)稱直流值，以及存在的任何交流噪聲或耦合。電源軌信號(hào)中的交流噪聲可以進(jìn)一步細(xì)分為寬帶噪聲、周期性事件和瞬態(tài)事件(圖 1)。

所有這三個(gè)噪聲源都會(huì)影響到達(dá)設(shè)備的電源質(zhì)量，因此將這些噪聲源減少到目標(biāo)設(shè)備可以正常運(yùn)行非常重要。

在最大限度地減少這些噪聲源之前，您需要能夠看到它們并準(zhǔn)確測(cè)量它們。但電源軌測(cè)量提出了一些獨(dú)特的測(cè)量挑戰(zhàn)，因此需要考慮以下幾點(diǎn)：

帶寬要求

系統(tǒng)噪聲和附加探頭噪聲

交流或直流輸入耦合的權(quán)衡

電源軌的負(fù)載挑戰(zhàn)

圖 1. 直流電源噪聲的組成部分。

帶寬

縱觀許多功率傳輸設(shè)計(jì)，幾十 MHz 的測(cè)量系統(tǒng)帶寬似乎就足夠了。大多數(shù)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)頻率為數(shù)百 kHz 甚至幾 MHz。較大的物理設(shè)計(jì)和運(yùn)行較高電源電壓的設(shè)備對(duì)噪聲不太敏感。因此，超過(guò) 20MHz 的噪聲含量很少是一個(gè)問(wèn)題。

現(xiàn)在，隨著設(shè)計(jì)尺寸和電源電壓的縮小，公差也隨之而來(lái)。配電網(wǎng)絡(luò)更多地作為傳輸線環(huán)境進(jìn)行分析，檢查交叉耦合、線路阻抗和諧振區(qū)域等內(nèi)容(圖 2)。

同樣重要的是要記住，功率轉(zhuǎn)換器件的基本開(kāi)關(guān)頻率可能相對(duì)較慢，但邊沿速度和上升時(shí)間通常要快得多，以幫助減少開(kāi)關(guān)損耗。這些邊緣和其他干擾源會(huì)激勵(lì)配電網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生更高頻率的噪聲和諧波。根據(jù)目標(biāo)設(shè)備和電路的功能，這些高次諧波可能會(huì)干擾操作。選擇具有足夠帶寬的示波器和探頭來(lái)查看這些事件對(duì)于診斷與高頻干擾相關(guān)的問(wèn)題至關(guān)重要。泰克提供 1 GHz 和 4 GHz 電源軌探頭來(lái)直接滿足這一需求。

圖 2. 通道 3(紅色跡線)是對(duì)電源軌的捕獲，該電源軌具有耦合到線路上的高頻干擾。如果該能量太大，可能會(huì)干擾設(shè)備的運(yùn)行或造成損壞。

為正在進(jìn)行的測(cè)量選擇正確的連接

圖 3. TPR4000 和 TPR1000 的模塊化連接器和焊接附件允許工程師為任何任務(wù)選擇正確的連接選項(xiàng)。

在評(píng)估電源軌探測(cè)解決方案時(shí)，請(qǐng)務(wù)必記住，與 DUT 的連接是獲得高質(zhì)量測(cè)量的最大驅(qū)動(dòng)因素。提供低電感接地路徑并具有最小有效電容的連接將減少振鈴并提供最大帶寬。這些連接實(shí)際上是通過(guò)焊入適配器和高性能連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)需要在計(jì)劃外的測(cè)試點(diǎn)上進(jìn)行重復(fù)測(cè)試時(shí)，微型同軸電纜和柔性焊入適配器可提供與被測(cè)設(shè)備的半永久連接(圖 4)。

當(dāng)工程師進(jìn)行測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)，小型射頻連接器(例如泰克電源軌探頭附帶的 MMCX 電纜)可提供可重復(fù)且可靠的信號(hào)訪問(wèn)。雖然這些連接提供了最佳的信號(hào)完整性，但它們并不總是很方便，因?yàn)樗鼈冃枰谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)修改目標(biāo)設(shè)備或規(guī)劃測(cè)試點(diǎn)。為了更快、更方便地進(jìn)行探測(cè)，可以使用瀏覽器和適配器。泰克提供 TPRBRWSR1G 供工程師在需要快速訪問(wèn)帶寬高達(dá) 1 GHz 的信號(hào)時(shí)使用。隨附的小元件夾和方針適配器有助于更輕松地連接到測(cè)試點(diǎn)。

圖 4. TPR4SIAFLEX 焊入式適配器連接在 0402 去耦電容器上。

值得注意的是，大多數(shù)瀏覽器附件通常會(huì)降低系統(tǒng)的帶寬。例如，飛線方針適配器的有效帶寬通常不會(huì)超過(guò)幾百 MHz。添加夾子和其他連接輔助工具后，這種情況會(huì)進(jìn)一步減少。

選擇連接方法時(shí)最后要考慮的是進(jìn)行測(cè)試的環(huán)境。許多系統(tǒng)驗(yàn)證工程師需要在極端溫度下測(cè)試設(shè)計(jì)。專門(mén)設(shè)計(jì)的極端溫度電纜和焊點(diǎn)(如 TPR4KITHT 中包含的焊點(diǎn))可以處理 -55 至 +155C 的測(cè)試設(shè)備。

管理測(cè)量系統(tǒng)和環(huán)境噪聲

采取基線

由于工藝幾何尺寸縮小，電源電壓變得越來(lái)越小，因此需要進(jìn)行低噪聲測(cè)量才能看到直流電源上存在的微小變化。此外，許多設(shè)計(jì)更加嚴(yán)格地關(guān)注電源完整性。這樣做的一個(gè)影響是每個(gè)電源的容差更嚴(yán)格。為了測(cè)量這一點(diǎn)，不僅示波器需要具有極低的噪聲才能看到這些事件，而且連接到示波器的任何探頭對(duì)測(cè)量的噪聲影響也應(yīng)很小。測(cè)量設(shè)備添加的噪聲越少，所看到的信號(hào)就是設(shè)備的實(shí)際行為的可信度就越高。

對(duì)儀器和所連接的任何探頭進(jìn)行基線噪聲測(cè)量可以讓用戶了解整個(gè)系統(tǒng)的噪聲性能。簡(jiǎn)單測(cè)量(例如無(wú)信號(hào)時(shí)輸入端電壓的峰峰值和 RMS)是比較探測(cè)系統(tǒng)的附加噪聲的快速方法(圖 5)。

圖 5. 通道 1(黃色跡線)是沒(méi)有輸入的示波器通道，而通道 2(藍(lán)色跡線)是輸入短路的 TPR1000。請(qǐng)注意，在 1 GHz 帶寬下，探頭僅向示波器輸入添加 17 μV 的噪聲。

使用 10x 無(wú)源探頭進(jìn)行電源軌測(cè)量有什么問(wèn)題?

在查看各種信號(hào)時(shí)，高衰減探頭可提供很大的動(dòng)態(tài)范圍，但與低衰減探頭相比，由于衰減，通常會(huì)引入更多的測(cè)量噪聲(圖 6)。這是因?yàn)樾盘?hào)除以衰減因子，使其更接近測(cè)量系統(tǒng)的本底噪聲。這可以通過(guò)計(jì)算信噪比 (SNR) 來(lái)顯示。

例如，如果我們選擇 10 mV 的輸入和 200 μV 的隨機(jī)噪聲規(guī)格(該規(guī)格可以在示波器的數(shù)據(jù)表上作為隨機(jī)噪聲找到，通常以 Vrms 為單位給出)，則 10x 探頭的 SNR 將為是

另一方面，低衰減 1.25x 探頭的 SNR 為

圖 6. 通道 2(藍(lán)色跡線)顯示傳統(tǒng) 10x 無(wú)源探頭的峰峰值噪聲為 157.1 mV，而在通道 1(黃色跡線)上使用 Tektronix TPR1000 電源軌探頭時(shí)噪聲峰峰值為 38.7 mV。

垂直刻度設(shè)置對(duì)噪聲性能的影響

儀器的噪聲性能隨垂直靈敏度設(shè)置而變化，較高的靈敏度范圍比較低的靈敏度范圍提供更好的噪聲性能。最大化屏幕上顯示的信號(hào)將為儀器提供更高的分辨率和更準(zhǔn)確的信號(hào)表示。較低的垂直靈敏度范圍通常會(huì)使信號(hào)看起來(lái)比實(shí)際具有更多的峰值噪聲(圖 7)。

圖 7. 垂直尺度對(duì)測(cè)量的隨機(jī)噪聲的影響。兩個(gè)通道的輸入均未附加任何內(nèi)容。通道 3 在 1 mV/div 時(shí)具有 521.2 μv 峰峰值噪聲，而通道 4 在 100 mV/div 時(shí)具有 8.953 mv 峰峰值噪聲。這大約是通道 4 上報(bào)告的噪聲的 17 倍。請(qǐng)注意，對(duì)于通道 4，8.953 mV 小于滿量程電壓的 1%。

其他降噪方法

泰克 4、5 和 6 系列 MSO 上的高分辨率等功能允許用戶通過(guò)使用超額采樣率生成更高分辨率的樣本來(lái)進(jìn)一步降低噪聲。它通過(guò)基于當(dāng)前采樣率應(yīng)用獨(dú)特的有限脈沖響應(yīng) (FIR) 硬件濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)此目的。這些 FIR 濾波器在給定采樣率下保持可能的最大帶寬，同時(shí)抑制混疊。高分辨率模式具有實(shí)時(shí)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，因此可以進(jìn)行瞬態(tài)事件和單次測(cè)量，這與其他波形平均方法不同。

選擇正確的示波器輸入耦合設(shè)置

為什么直流偏移對(duì)于測(cè)量電源軌來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)?

許多設(shè)計(jì)都具有大容量電源電壓，可通過(guò)各種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器過(guò)濾至各種 IC 和系統(tǒng)所需的電源電壓。通常情況下，大容量電源電壓比 IC 所需電壓高很多倍。例如，車輛將 12 伏直流電壓轉(zhuǎn)換為運(yùn)行信息娛樂(lè)和安全系統(tǒng)中的處理器所需的低于 1 伏電源電壓(圖 8)。

圖 8. 汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)供電系統(tǒng)圖。

數(shù)據(jù)中心通過(guò) 12、24 或 48 V 直流電源向服務(wù)器供電的情況也很常見(jiàn)，然后將其轉(zhuǎn)換為主板上的其他電源電壓。能夠查看從電源輸出到 IC 引腳的鏈條中的每個(gè)環(huán)節(jié)，有助于識(shí)別從其他電壓域傳輸?shù)脑肼?圖 9)。

圖 9. 服務(wù)器供電系統(tǒng)圖。

因此，選擇能夠提供足夠偏移的探頭來(lái)查看供電網(wǎng)絡(luò)中正在測(cè)試的所有電源軌非常重要。這很困難，因?yàn)樵S多示波器前端根據(jù)所選的垂直靈敏度限制可用的偏移。因此，在每格電壓設(shè)置較低時(shí)，儀器的偏移量將較小。(上一節(jié)表明，選擇正確的垂直靈敏度范圍會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。)高衰減探頭通常具有更多的偏移能力，但如上所示，通常比低衰減探頭具有更多的噪聲。

通過(guò)使用示波器的交流耦合可以避免處理直流偏移，這樣可以消除信號(hào)的直流分量，但這也會(huì)掩蓋可能發(fā)生的任何低頻事件，例如電壓下降。

使用直流耦合模式查看低頻事件

如果可以將足夠的直流偏移添加到輸入信號(hào)中，直流耦合可以更全面地了解設(shè)備的行為，因?yàn)榻涣黢詈蠒?huì)隱藏低頻信息，例如負(fù)載變化時(shí)的電壓線下降或蠕變(圖 10 )。電源軌探頭經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，可為示波器/探頭系統(tǒng)添加足夠的偏移范圍，以支持大多數(shù)電源軌上的直流耦合。TPR4000 和 TPR1000 具有 +/- 60V 的直流偏移，可滿足汽車、工業(yè)和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖 10.

一些微處理器和電源管理 IC 采用節(jié)能功能，例如動(dòng)態(tài)頻率和電壓調(diào)節(jié)，可根據(jù)工作負(fù)載改變直流電源電壓。這些特征很難用交流耦合模式下的儀器進(jìn)行分析，因?yàn)閮x器不顯示低頻信息(圖 11)。

圖 11. 隨著頻率增加而調(diào)整所需輸入電壓的器件示例。許多交流耦合濾波器會(huì)忽略步驟之間約 2 Hz 的頻率分量

最小化負(fù)載

探頭阻抗如何影響電源軌測(cè)量

為了進(jìn)行電源完整性測(cè)量而探測(cè)電源軌的挑戰(zhàn)是選擇一種探測(cè)方法來(lái)查看直流電源上的高頻交流內(nèi)容，同時(shí)還要注意不要對(duì)信號(hào)的直流部分施加過(guò)多負(fù)載，從而導(dǎo)致不準(zhǔn)確或不準(zhǔn)確。干擾設(shè)備操作。高阻抗探頭為直流情況提供最佳負(fù)載，但通常會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的噪聲，或者沒(méi)有足夠的帶寬來(lái)查看感興趣的高頻事件，同時(shí)還會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行直流耦合。50 Ω 傳輸線為電源軌上的高頻信號(hào)提供出色的負(fù)載，但可充當(dāng)直流信號(hào)的低阻抗分壓器。

用于進(jìn)行電源軌測(cè)量的理想探頭應(yīng)在直流時(shí)提供非常高的電阻，在交流時(shí)提供 50 Ω 的傳輸線。泰克 TPR4000 和 TPR1000 電源軌探頭提供 50 kΩ 高直流電阻，并在較高頻率下過(guò)渡到 50 Ω。這提供了兩全其美的優(yōu)點(diǎn)，并避免了其他探測(cè)選項(xiàng)的限制。

概括

隨著對(duì)電源完整性的需求不斷增加，電源軌分析將繼續(xù)成為工程師的重要工具。泰克 TPR4000 和 TPR1000 經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，可應(yīng)對(duì)直流電源時(shí)面臨的獨(dú)特測(cè)量和連接挑戰(zhàn)。當(dāng)與泰克示波器的捕獲和測(cè)量功能配合使用時(shí)，它們可為任何工程師提供出色的電源軌分析工具。

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審核編輯 黃宇