電源紋波和電源噪聲的區(qū)別 如何提高芯片噪聲測(cè)量的準(zhǔn)確性

芯片的供電環(huán)路從穩(wěn)壓模塊VRM開(kāi)始，到PCB的電源網(wǎng)絡(luò)，芯片的ball引腳，芯片封裝的電源網(wǎng)絡(luò)，最后到達(dá)die. 當(dāng)芯片工作在不同負(fù)載時(shí)，VRM無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)電流快速變化的需求，在芯片電源電壓上產(chǎn)生跌落，從而產(chǎn)生了電源噪聲。對(duì)于電源會(huì)產(chǎn)生和開(kāi)關(guān)頻率一致的電源紋波，始終疊加在電源上輸出。

如圖所示輸出電壓的波形，包含開(kāi)關(guān)的紋波，負(fù)載跳變的引起的跳變，還有耦合進(jìn)來(lái)的噪聲。

測(cè)量輸出的紋波時(shí)，應(yīng)將探頭放置于輸出電容處，避免噪聲的耦合。在沒(méi)有負(fù)載跳變時(shí)，可以限制帶寬，得到比較干凈的紋波波形。

測(cè)試波形如下圖：

為避免過(guò)多的噪聲耦合到紋波測(cè)試，應(yīng)用盡可能小的環(huán)路，避免耦合的噪聲過(guò)大。一般的示波器探頭不能直接使用，需用專(zhuān)用示波器探頭或者使用同軸電纜小環(huán);并且測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在電源輸出端上，若測(cè)量點(diǎn)在負(fù)載上則會(huì)造成極大的測(cè)量誤差。

測(cè)量輸出的紋波時(shí)，應(yīng)將探頭放置于輸出電容處，避免噪聲的耦合。在沒(méi)有負(fù)載跳變時(shí)，可以限制帶寬，得到比較干凈的紋波波形。

噪聲的來(lái)源

電源紋波和電源噪聲是兩種不同類(lèi)型的電源問(wèn)題，它們有著不同的特征和來(lái)源。

電源紋波：

定義：電源紋波是指電源輸出中的交流波動(dòng)或波紋。它是由電源本身的設(shè)計(jì)、負(fù)載變化或其他外部因素引起的。

特征：通常以毫伏（mV）為單位進(jìn)行測(cè)量。紋波是在直流電平上的小幅波動(dòng)，其頻率可以因電源設(shè)計(jì)、交流干擾等原因而異。

來(lái)源：開(kāi)關(guān)電源本身的開(kāi)關(guān)特性形成的。開(kāi)關(guān)電源的紋波是指，疊加在開(kāi)關(guān)電源輸出電壓上，頻率與開(kāi)關(guān)頻率一致的交流量，其產(chǎn)生原因是開(kāi)關(guān)電源的電流紋波作用在電容的ESR上。

影響：電源紋波若超出規(guī)定范圍可能影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行，尤其對(duì)于需要穩(wěn)定電源的精密設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，這可能是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

紋波測(cè)量：用同軸電纜從電源模塊上引出輸出，接到隔直板上，然后再通過(guò)同軸電纜接入示波器。示波器阻抗選擇50歐姆，AC耦合，帶寬限制在20MHz，然后進(jìn)行測(cè)量與讀數(shù)。測(cè)出的波形一般近似于三角波。其實(shí)也可以使用無(wú)源探頭進(jìn)行測(cè)量。

電源噪聲：

定義：電源噪聲是電源輸出中存在的隨機(jī)、不期望的電壓或電流波動(dòng)，與電源紋波不同，它不一定是規(guī)律的周期性波動(dòng)。

特征：電源噪聲可以包含各種頻率范圍內(nèi)的干擾和雜波，從幾赫茲到幾十千赫茲不等。其振幅和頻率可能不穩(wěn)定或變化較大。

來(lái)源：電源噪聲可以來(lái)自于許多方面，包括電源電磁干擾、開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率、電源線路中的干擾、設(shè)備內(nèi)部的互相干擾等。噪聲一般是指全帶寬下輸出電壓上疊加的交流量，包含紋波。

影響：電源噪聲可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降，對(duì)靈敏的電子元件和信號(hào)傳輸有干擾，可能會(huì)產(chǎn)生雜音、圖像不清晰、通信干擾等問(wèn)題。

噪聲測(cè)量：將示波器的帶寬限制取消，其余配置相同，然后進(jìn)行測(cè)量與讀數(shù)。

總的來(lái)說(shuō)，電源紋波是在電源輸出中的周期性波動(dòng)，而電源噪聲是更為隨機(jī)的、不規(guī)律的干擾。雖然兩者都是電源質(zhì)量問(wèn)題，但其性質(zhì)和影響略有不同，需要采取不同的方法來(lái)檢測(cè)、衡量和解決。

如何提高芯片噪聲測(cè)量的準(zhǔn)確性

目前芯片的工作頻率越來(lái)越高，工作電壓越來(lái)越低，工作電流越來(lái)越大，噪聲要求也更加苛刻。對(duì)于要求低噪聲的電源測(cè)試非常具有挑戰(zhàn)，影響其測(cè)量準(zhǔn)確性的主要有如下幾點(diǎn)：

（1）示波器通道的底噪；

（2）示波器的分辨率（示波器的ADC位數(shù)）；

（3）示波器垂直刻度最小值（量化誤差）；

（4）探頭帶寬；

（5）探頭GND和信號(hào)兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的距離；

（6）示波器通道的設(shè)置；

在測(cè)試電源噪聲時(shí)，要求如下條件：

（1）需要在重負(fù)載情況下測(cè)試電源紋波；

（2）測(cè)試電源紋波時(shí)應(yīng)該將CPU、GPU、DDR頻率鎖定在最高頻；

（3）測(cè)試點(diǎn)應(yīng)該在SINK端距離PMU最遠(yuǎn)的位置；

（4）測(cè)試點(diǎn)應(yīng)該靠近芯片的BALL；

（5）帶寬設(shè)置為全頻段；

（6）示波器帶寬大于500MHz；

（7）噪聲波形占整個(gè)屏幕的2/3以上或者垂直刻度已經(jīng)為最小值；

（8）探頭地和信號(hào)之間的回路最短，電感最小；

（9）測(cè)試時(shí)間大于1min，采樣時(shí)間1ms以上，采樣率500Ms/s以上；

（10）紋波噪聲看Pk-Pk值，關(guān)注Max、Min值；

在測(cè)量電源紋波時(shí)，通常使用示波器探頭進(jìn)行測(cè)試。無(wú)源探頭、有源探頭和同軸電纜都有各自的用途和優(yōu)勢(shì)，取決于具體的測(cè)量需求。

無(wú)源探頭：

無(wú)源探頭是一種簡(jiǎn)單的探頭，不需要外部電源供應(yīng)。它通常用于測(cè)量較小幅度的信號(hào)，并且對(duì)被測(cè)電路的影響較小。

適用于一般的信號(hào)測(cè)量，但在一些需要更高增益或精確度的情況下可能不夠。

帶寬特點(diǎn)：一般而言，無(wú)源探頭的帶寬較窄，一般在幾十MHz至低GHz的范圍內(nèi)。這意味著它們可以適用于一般的信號(hào)測(cè)量，但對(duì)于高頻率的電源紋波或噪聲，可能帶寬不足以有效捕獲所有頻率成分。

有源探頭：

有源探頭包含一個(gè)內(nèi)置的放大器，可以提供更高的增益，并且對(duì)信號(hào)的捕捉更為敏感。它們通常用于測(cè)量微弱信號(hào)或高頻信號(hào)。

這些探頭需要外部電源供應(yīng)。它們對(duì)被測(cè)電路的影響也相對(duì)較小。

帶寬特點(diǎn)：有源探頭通常具有更寬的帶寬范圍，可以覆蓋從幾百M(fèi)Hz到數(shù)GHz的范圍。這使得有源探頭能夠更有效地捕獲高頻率的電源紋波和噪聲。

昂貴且容易損壞：弄壞高帶寬有源探頭，損失一輛小汽車(chē)

同軸電纜：

同軸電纜可用于連接示波器和被測(cè)電路，提供較好的屏蔽和抗干擾能力。

在一些需要減小干擾或長(zhǎng)距離測(cè)量的情況下，同軸電纜可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

帶寬特點(diǎn)：同軸電纜可以提供較好的抗干擾能力，其帶寬范圍廣泛，可以覆蓋從幾十MHz到數(shù)GHz的范圍。這使得同軸電纜適用于傳輸和連接高頻信號(hào)。

在測(cè)量電源紋波時(shí)，通常可以使用無(wú)源探頭或有源探頭。選擇探頭取決于需要測(cè)量的紋波幅度大小、頻率范圍，以及對(duì)電路干擾的容忍度。通常情況下，無(wú)源探頭可以勝任大多數(shù)電源紋波的常規(guī)測(cè)量，但若需要更高靈敏度或更小幅度的波動(dòng)測(cè)量，則有源探頭可能更合適。使用同軸電纜可以在長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)或需要較強(qiáng)抗干擾能力時(shí)提供更可靠的連接。

我們?cè)跍y(cè)試紋波的時(shí)候，希望能夠測(cè)試準(zhǔn)確，不希望其他頻段的干擾引入導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)異常。所以用同軸電纜或者探頭測(cè)試紋波的時(shí)候，地線的處理都尤為關(guān)鍵，否則會(huì)通過(guò)地線引入不必要的噪聲。

在圖所示的示例中，測(cè)試者犯了兩個(gè)錯(cuò)誤。他的第一個(gè)錯(cuò)誤是使用了一支帶長(zhǎng)接地引線的示波器探針；他的第二個(gè)錯(cuò)誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開(kāi)關(guān)元件附近；他的最后一個(gè)錯(cuò)誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問(wèn)題在紋波波形中表現(xiàn)為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號(hào)電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場(chǎng)，耦合自開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)，以及由變壓器互繞電容產(chǎn)生的共模電流。

DC/DC模塊的電源紋波指標(biāo)是一項(xiàng)很重要的參數(shù)。干凈的電源是數(shù)字電路穩(wěn)定工作的前提，也是模擬器件的各項(xiàng)參數(shù)的重要保障。為確定電源的質(zhì)量，必須對(duì)DC/DC模塊的輸出紋波進(jìn)行測(cè)量。但很多人測(cè)量得到的紋波值動(dòng)輒上百mV，甚至幾百mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比器件手冊(cè)提供的最大紋波值大，這主要是測(cè)量方法的不正確造成的。

正確的測(cè)量方法

1)限制示波器帶寬為20MHz(大多中低端示波器檔位限制在20MHz，高端產(chǎn)品還有200MHz帶寬限制的選擇)，目的是避免數(shù)字電路的高頻噪聲影響紋波測(cè)量，盡量保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2)設(shè)置耦合方式為交流耦合，方便測(cè)量(以更小檔位來(lái)仔細(xì)觀測(cè)紋波，不關(guān)心直流電平).

3)保證探頭接地盡量短(測(cè)量紋波動(dòng)輒上百mV的主要原因就是接地線太長(zhǎng))，盡量使用探頭自帶的原裝測(cè)試短針。如果沒(méi)有測(cè)試短針，可以拆除探頭的接地線和外殼，露出探頭地殼，自制接地線纏繞在探頭地殼上，保證接地線長(zhǎng)度小于1cm。

4)示波器地懸空，只通過(guò)探頭地與測(cè)試信號(hào)的參考點(diǎn)共地，不要通過(guò)其他方式與測(cè)試設(shè)備共地，這樣會(huì)給紋波測(cè)量引入很大的地噪聲。例如：當(dāng)示波器和其他儀器共插線板時(shí)，其他儀器的開(kāi)關(guān)可能通過(guò)接地線給測(cè)試帶來(lái)噪聲干擾。

地線過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果明顯不正確。

探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的距離也非常重要，當(dāng)兩點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，會(huì)有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號(hào)回路中（如下圖所示），示波器觀察的波形包括了其他信號(hào)分量，導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號(hào)與地的探測(cè)點(diǎn)間距，減小環(huán)路面積。

在隔離電源中，會(huì)產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點(diǎn)的共模電流。這就在電源接地連接點(diǎn)和示波器接地連接點(diǎn)之間形成了壓降，從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問(wèn)題的出現(xiàn)，我們就需要特別注意電源設(shè)計(jì)的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周?chē)灿兄谧钚』@種電流。這樣就形成了一個(gè)共模電感器，其在不影響差分電壓測(cè)量的同時(shí)，還減少了共模電流引起的測(cè)量誤差。下圖顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進(jìn)的測(cè)量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

1.有條件的話使用隔直板+同軸電纜的配置，同軸電纜能很好的抑制空間中的輻射。

2.單純使用示波器測(cè)量的話，地線夾要盡可能短，并繞在探針上，即成環(huán)最??；有條件的話，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁芯上。

3.最好直接測(cè)量電源模塊的輸出引腳。

使用同軸電纜

電源紋波應(yīng)該采用同軸電纜測(cè)試

同軸電纜測(cè)試的結(jié)果較為準(zhǔn)確，且受到人為因素的影響較?。ê附釉趩伟迳辖Y(jié)果較穩(wěn)定）；缺點(diǎn)為測(cè)試需要焊接，若測(cè)試點(diǎn)較多，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，若操作不甚，還有可能會(huì)損壞單板。

同軸電纜測(cè)試工作原理圖如下：

測(cè)試點(diǎn)選擇

焊接位置選取靠近被測(cè)對(duì)象的濾波電容處（即離芯片管腳最近，條件允許的情況下，優(yōu)先選取背面的電容進(jìn)行測(cè)試，靠近芯片管腳是為了更真實(shí)的測(cè)到負(fù)載的情況），如有空焊盤(pán)亦可選取

測(cè)試時(shí)，測(cè)試點(diǎn)盡量選取小電容作為測(cè)試點(diǎn)；現(xiàn)在所用電容，特別是BGA的去耦電容，封裝都比較小，一般為0201。為方便測(cè)試，可在電纜上焊接不大于0.5cm的漆包線，地線可以選擇最近的地 。

若被測(cè)對(duì)象同一網(wǎng)絡(luò)電源管腳較分散，一般盡量選取靠近負(fù)載且離電源源端較遠(yuǎn)的點(diǎn)，如果同一網(wǎng)絡(luò)分散在芯片周?chē)?，?yīng)至少選取兩個(gè)離電源源端較遠(yuǎn)的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

示波器的設(shè)置

測(cè)試項(xiàng)解讀：

測(cè)試項(xiàng) MAX：當(dāng)前屏幕波形中的最大值。

測(cè)試項(xiàng) MIN：當(dāng)前屏幕波形中的最小值。

測(cè)試項(xiàng) PK-PK：當(dāng)前屏幕波形中的峰峰值。

圖中每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)有五個(gè)值，第一個(gè)值為當(dāng)前屏幕的值，第二個(gè)值μ為RUN到STOP的統(tǒng)計(jì)平均值，第三個(gè)值m為RUN到STOP的統(tǒng)計(jì)最小值，第四個(gè)值M為RUN到STOP的統(tǒng)計(jì)最大值，第五個(gè)值σ為標(biāo)準(zhǔn)差，上面Acqs為統(tǒng)計(jì)次數(shù)。

紋波讀取MAX,MIN,PK-PK的值（MAX PK-PK記錄最大值，MIN記錄最小值），上圖中，噪聲的PK-PK值為32mv，MAX值為16mv，MIN值為-18.4mv。

同軸線外部隔直電容DC50歐耦合測(cè)試

由于無(wú)源探頭的帶寬較低，而電源開(kāi)關(guān)噪聲一般都在百M(fèi)Hz以上，同時(shí)電源內(nèi)阻一般在幾百毫歐以內(nèi)，選擇高阻1Mohm的無(wú)源探頭對(duì)于高頻會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，因此可以選擇用同軸線來(lái)代替無(wú)源探頭，此時(shí)示波器端接阻抗設(shè)置為50歐，與同軸線阻抗相匹配，根據(jù)傳輸線理論，電源噪聲沒(méi)有反射，此時(shí)認(rèn)為測(cè)量結(jié)果最準(zhǔn)確。

利用同軸線的測(cè)量方法，最準(zhǔn)確的是采用DC50歐，但是大部分示波器在DC50歐時(shí)offset最大電壓為1V，無(wú)法滿足大部分電源的測(cè)量要求，而示波器內(nèi)部端接阻抗為50歐時(shí)，不支持AC耦合，因此需要外置一個(gè)AC電容，如圖6所示，當(dāng)串聯(lián)電容值為10uF時(shí)，根據(jù)表1可以看到，此時(shí)可以準(zhǔn)確測(cè)試到2KHz以上的紋波噪聲信號(hào)。

圖 6 同軸線DC50測(cè)量圖

同軸線AC1M歐耦合測(cè)試

由于從PMU出來(lái)的電源紋波噪聲大多集中在1MHz以內(nèi)，如果采用同軸線DC50外置隔直電容測(cè)量方法，低頻噪聲分量損失較為嚴(yán)重，因此改用圖所示的測(cè)量方法，利用同軸線傳輸信號(hào)，示波器設(shè)置為AC1M，這樣雖然存在反射，但是反射信號(hào)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)CABLE線折返傳輸后，影響是有限的，示波器在R2上采集電壓值可以認(rèn)為仍然可以被參考。

同軸線AC1M測(cè)量圖

為了避免反射，在同軸線接到示波器的接口處端接一個(gè)50ohm電阻，使示波器輸入阻抗和cable線特征阻抗匹配。

同軸線AC1M測(cè)量改進(jìn)圖

審核編輯：湯梓紅