泰克帶您了解電源芯片PSRR測量技巧

在電子設備中， 電源的穩定性很重要，電源對紋波噪聲的抑制能力也同樣重要。用來(lái)描述對電源紋波噪聲的抑制能力，通常用電源抑制比(Power Supply Rejection Ratio)來(lái)表征，它是衡量電源供應的穩定性和對干擾的抑制能力的重要參數。是經(jīng)常在電子放大器（特別是運算放大器 ）或穩壓器等規格書(shū)出現的參數。

電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio）簡(jiǎn)稱(chēng)PSRR，它以電源輸入紋波和輸出紋波的對數比來(lái)計算，單位為分貝（dB），其計算公式為：

其中Vripple（in）是輸入端的紋波，Vripple（out）是輸出端的紋波。絕大多數情況使用Vripple（in）/Vripple（out）來(lái)計算，此時(shí)PSRR為正值；如果使用Vripple（out）/Vripple（in）來(lái)計算，此時(shí)PSRR為負值。

從上面的公式可以看出：

■   在相同的供電電路設計中，使用PSRR越大的器件，其電源輸出受到電源的影響越??；

■   在相同的電源輸入紋波條件下，設計的電源電路PSRR越大，電源輸出端紋波就越小。

PSRR應用領(lǐng)域

PSRR在電源管理芯片（PMIC）中應用廣泛，覆蓋包括電源穩壓器、放大器等器件或電路的性能評估。尤其在當今典型的系統為處理器（如GPUs, SoCs, FPGAs）、高速串行接口（如SerDes，PCIe，USB）、高速并行數據（如DDR、LPDDR、GDDR）以及多路電源同時(shí)工作的需要穩定電源供應且對電源干擾抑制力較高的低壓供電場(chǎng)景中，電源軌上的紋波噪聲來(lái)自于電源的開(kāi)關(guān)噪聲和諧波、數字信號串擾、時(shí)鐘耦合等諸多因素，由于系統對信號很敏感，如果電源對紋波噪聲的抑制能力不夠，會(huì )直接導致信號抖動(dòng)、產(chǎn)生誤碼、影響系統穩定性并導致系統效率降低。

所有這一切使得預留給電源的紋波噪聲裕量越來(lái)越小，從而要求高精度的電源紋波噪聲抑制能力（PSRR）的測量。PSRR的測試已廣泛應用于精密工業(yè)、汽車(chē)電子、醫療設備等行業(yè)中。

圖1 低電壓應用場(chǎng)景

精密工業(yè)：在電源穩壓器尤其是在LDO電源電路設計與應用中，對其PSRR性能的測試有助于為精密低壓差電源供應的電源穩定性提供評估參考。如下圖2展示的是一款用于數碼相機、手機攝像頭、可穿戴設備等上的LDO芯片datasheet上列出的必要的PSRR項目指標：

圖2 LDO芯片PSRR項目（圖片來(lái)自TI）

汽車(chē)電子：在汽車(chē)電子系統中，車(chē)規級電源器件/系統的PSRR測量可以更大限度地幫助評估電子器件/設備在車(chē)規級供電要求的穩定及安全工作特性。

圖3 車(chē)載電源系統

醫療設備：在醫療設備中，PSRR的測量可以幫助評估電源噪聲對醫療設備精度和穩定性的影響，以最大程度減少電源噪聲造成的干擾，確保醫療設備的可靠和安全以實(shí)現精確的讀數和診斷。

圖4 醫療設備供電系統

PSRR測試應用

PSRR在電源管理芯片（PMIC）中應用廣泛，覆蓋包括電源穩壓器、放大器等器件或電路的性能評估。尤其在當今典型的系統為處理器（如GPUs, SoCs, FPGAs）、高速串行接口（如SerDes，PCIe，USB）、高速并行數據（如DDR、LPDDR、GDDR）以及多路電源同時(shí)工作的需要穩定電源供應且對電源干擾抑制力較高的低壓供電場(chǎng)景中，電源軌上的紋波噪聲來(lái)自于電源的開(kāi)關(guān)噪聲和諧波、數字信號串擾、時(shí)鐘耦合等諸多因素，系統對信號很敏感，如果電源對紋波噪聲的抑制能力不夠，會(huì )直接導致信號抖動(dòng)、產(chǎn)生誤碼、影響系統穩定性并導致系統效率降低。

需要關(guān)注的是在人工智能（AI）技術(shù)快速發(fā)展的今天，與之相關(guān)的電路/器件呈現極低的電壓供電趨勢，測試其電源管理芯片的PSRR可直接評估電源對紋波噪聲的抑制能力，用于減少系統能量損耗，提高系統性能和效率，并且有助于延長(cháng)芯片的壽命。

下圖為一款用于人工智能（AI）的存儲器LPDDR，其工作電壓已低至0.5V，預留給電源的紋波噪聲裕量越來(lái)越小。

圖5 用于人工智能（AI）的存儲器LPDDR（圖片來(lái)源：SAMSUNG）

鑒于其低電壓的電源需求及高吞吐量的特性，如果要保障其持續運行在高算力的AI應用場(chǎng)景下，高穩定且對紋波噪聲高抑制能力的電源供應是必要的保障，如果電源紋波噪聲抑制能力不夠，又會(huì )有什么影響呢？

1)對芯片數據與算法的影響：電源微小的紋波噪聲可能導致芯片數據失真或芯片算法錯誤，影響芯片算法的可靠性和準確性；

2)對功耗管理和能效優(yōu)化的影響：芯片系統通常需要大量的計算資源，功耗管理和能效優(yōu)化成為關(guān)鍵問(wèn)題。紋波噪聲抑制力差直接影響電源的優(yōu)化，降低系統的能效；

3)對射頻信號處理穩定性的影響：在處理射頻信號以實(shí)現通信或感知功能的應用中，電源紋波噪聲直接影響通信質(zhì)量并可能導致感知錯誤。

圖6 高性能芯片易受電源紋波噪聲的影響

PSRR該如何測量？

使用示波器對DUT電源輸入端與輸出端紋波做直接測試并繪制所需要的PSRR曲線(xiàn)即可。使用泰克Mainstream系列低本底噪聲及高分辨率的示波器系統做準確測試，連接如下圖示：

圖7 PSRR測試連接示意圖

■   通過(guò)示波器的AFG注入特定掃頻信號至線(xiàn)性注入器后引入到DUT；

■   通過(guò)示波器系統分別測試DUT電源輸入端輸出端紋波；

■   通過(guò)示波器PSRR功能實(shí)現PSRR值的計算、數據記錄及曲線(xiàn)繪制