巧用是德科技示波器頻域方法分析電源噪聲

是德科技示波器頻域分析在電源調試的應用
本文談到這么多年來(lái)最受關(guān)注的電源噪聲測量問(wèn)題，有最實(shí)用的經(jīng)驗總結，有實(shí)測案例佐證，有仿真分析相結合。

在電源噪聲的分析過(guò)程中，比較經(jīng)典的方法是使用示波器觀(guān)察電源噪聲波形并測量其幅值，據此判斷電源噪聲的來(lái)源。但是隨著(zhù)數字器件的電壓逐步降低、電流逐步升高，電源設計難度增大，需要使用更加有效的測試手段來(lái)評估電源噪聲。本文是使用頻域方法分析電源噪聲的一個(gè)案例，在觀(guān)察時(shí)域波形無(wú)法定位故障時(shí)，通過(guò)FFT（快速傅立葉變換）方法進(jìn)行時(shí)頻轉換，將時(shí)域電源噪聲波形轉換到頻域進(jìn)行分析。電路調試時(shí)，從時(shí)域和頻域兩個(gè)角度分別來(lái)查看信號特征，可以有效地加速調試進(jìn)程。

在單板調試過(guò)程中發(fā)現一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的電源噪聲達到80mv，已經(jīng)超過(guò)器件要求，為了保證器件能夠穩定工作必須降低該電源噪聲。

在調試該故障前先回顧下電源噪聲抑制的原理。如下圖所示，電源分配網(wǎng)絡(luò )中不同的頻段由不同的元件來(lái)抑制噪聲，去耦元件包含電源調整模塊（VRM）、去耦電容、PCB電源地平面對、器件封裝和芯片。VRM包含電源芯片及外圍的輸出電容，大約作用于DC到低頻段（100K左右），其等效模型是一個(gè)電阻和一個(gè)電感組成的二元件模型。去耦電容最好使用多個(gè)數量級容值的電容配合使用，充分覆蓋中頻段（數10K到100M左右）。由于布線(xiàn)電感和封裝電感的存在，即時(shí)大量堆砌去耦電容也難以在更高頻起到作用。PCB電源地平面對形成了一個(gè)平板電容，也具有去耦作用，大約作用在數十兆。芯片封裝和芯片負責高頻段（100M以上），目前的高端器件一般會(huì )在封裝上增加去耦電容，此時(shí)PCB上的去耦范圍可以降低到數十兆甚至幾兆。因此，在電流負載不變的情況下，我們只要判斷出電壓噪聲出現在哪個(gè)頻段，那么針對這個(gè)頻段所對應的去耦元件進(jìn)行優(yōu)化即可。在兩個(gè)去耦元件的相鄰頻段時(shí)兩個(gè)去耦元件會(huì )配合作用，所以在分析去耦元件臨界點(diǎn)時(shí)相鄰頻段的去耦元件也要同時(shí)納入考慮。

根據傳統電源調試經(jīng)驗，首先在該網(wǎng)絡(luò )上增加了一些去耦電容，增加電源網(wǎng)絡(luò )的阻抗余量，保證在中頻段的電源網(wǎng)絡(luò )阻抗都能滿(mǎn)足該應用場(chǎng)景的需求。結果紋波僅降低幾mV，改善微乎其微。產(chǎn)生這個(gè)結果有幾個(gè)可能：1、噪聲處在低頻，并不在這些去耦電容起作用的范圍內；2、增加電容影響了電源調節器VRM的環(huán)路特征，電容帶來(lái)的阻抗降低與VRM的惡化抵消了。帶著(zhù)這個(gè)疑問(wèn)，我們考慮使用示波器的頻域分析功能來(lái)查看電源噪聲的頻譜特性，定位問(wèn)題根源。

是德科技示波器的頻域分析功能是通過(guò)傅立葉變換實(shí)現的，傅立葉變換的實(shí)質(zhì)是任何時(shí)域的序列都可以表示為不同頻率的正弦波信號的無(wú)限疊加。我們分析這些正弦波的頻率、幅值和相位信息，就是將時(shí)域信號切換到頻域的分析方法。數字示波器采樣到的序列是離散序列，所以我們在分析中最常用的是快速傅立葉變換（FFT）。FFT算法是對離散傅立葉變換（DFT）算法優(yōu)化而來(lái)，運算量減少了幾個(gè)數量級，并且需要運算的點(diǎn)數越多，運算量節約越大。

示波器捕獲的噪聲波形進(jìn)行FFT變換，有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意。
1、根據耐奎斯特抽樣定律，變換之后的頻譜展寬（Span）對應與原始信號的采樣率的1/2，如果原始信號的采樣率為1GS/s，則FFT之后的頻譜展寬最多是500MHz；

2、變換之后的頻率分辨率（RBW Resolution Bandwidth）對應于采樣時(shí)間的倒數，如果采樣時(shí)間為10mS，則對應的頻率分辨率為100Hz；

3、頻譜泄漏，即信號頻譜中各譜線(xiàn)之間相互干擾，能量較低的譜線(xiàn)容易被臨近的高能量譜線(xiàn)的泄漏所淹沒(méi)。避免頻譜泄漏可以盡量采集速率與信號頻率同步，延長(cháng)采集信號時(shí)間及使用適當的窗函數。

電源噪聲測量時(shí)不要求較高的采樣率，所以可以設置很長(cháng)的時(shí)基，這也意味著(zhù)采集的信號時(shí)間可以足夠長(cháng)，可以認為覆蓋到了整個(gè)有效信號的時(shí)間跨度，此時(shí)不需要添加窗函數。調整以上設置可以得到比較準確的FFT變換曲線(xiàn)了，再通過(guò)zoom功能查看感興趣的http://www.shide17.com頻點(diǎn)。如下圖中電源噪聲的主要能量集中在11.3KHz左右，并以該頻率為基波頻率諧振。據此可以推斷本PDN網(wǎng)絡(luò )在11.3KHz處的阻抗不能滿(mǎn)足要求，電容在該頻點(diǎn)的阻抗也比較高，起不到降低阻抗的作用，所以前面增加電容并不能減小電源噪聲。