【導(dǎo)讀】PI(Power Integrity)，即電源完整性，以前隸屬于信號(hào)完整性分析專題，但是因?yàn)镻I足夠復(fù)雜和關(guān)鍵，現(xiàn)在已經(jīng)把其單獨(dú)拿出來作為一個(gè)專題去研究。快速而準(zhǔn)確的仿真電源完整性至今仍然是一個(gè)待突破的難題。
對(duì)于高速數(shù)字電路和系統(tǒng)，PI的研究對(duì)象是電源分配網(wǎng)絡(luò)PDN（Power Distribution Network）。以筆記本電腦為例，AC到DC電源適配器供給計(jì)算機(jī)主板的是一個(gè)約16V的直流電源，主板上的電源分配網(wǎng)絡(luò)要把這個(gè)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(gè)芯片供電。CPU和IC用電量很大，而且是動(dòng)態(tài)耗電的，瞬時(shí)電流可能很大，也可能很小，但是電壓必須平穩(wěn)（即紋波和噪聲必須較小），以保持CPU和IC的正常工作。這都對(duì)PDN提出了苛刻的要求。
要測(cè)量PDN性能，首先需要用示波器測(cè)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(cè)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(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)或雙端口網(wǎng)絡(luò)一樣去表征PDN。由于現(xiàn)在的PDN大都是開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，還需要測(cè)量PDN或關(guān)鍵DC到DC轉(zhuǎn)換器件的環(huán)路增益。
小結(jié)一下，電源完整性的測(cè)量對(duì)象是電源分配網(wǎng)絡(luò)PDN。主要測(cè)量?jī)?nèi)容包括四部分：
● 紋波和噪聲的測(cè)量；
● 輸出阻抗的測(cè)量；
● 環(huán)路增益的測(cè)量；
● 濾波器件（電容/磁珠等）性能參數(shù)的測(cè)量。
電源紋波和噪聲測(cè)量
電源紋波和電源噪聲是一個(gè)比較容易混淆的概念，如下圖2所示，藍(lán)色波形為電源紋波，紅色波形為電源噪聲。電源紋波的頻率為開關(guān)頻率的基波和諧波，而噪聲的頻率成分高于紋波，是由板上芯片高速I/O的開關(guān)切換產(chǎn)生的瞬態(tài)電流、供電網(wǎng)絡(luò)的寄生電感、電源平面和地平面之間的電磁輻射等諸多因素產(chǎn)生的。因此，在PMU側(cè)測(cè)量電源輸出為紋波，而在SINK端（耗電芯片端，如AP、EMMC、MODEM等）測(cè)量的是電源噪聲。
今天的電子電路（比如手機(jī)、服務(wù)器等領(lǐng)域）的切換速度、信號(hào)擺率比以前更高，同時(shí)芯片的封裝和信號(hào)擺幅卻越來越小，對(duì)噪聲更加敏感。因此，今天的電路設(shè)計(jì)者們比以前會(huì)更關(guān)心電源噪聲的影響。實(shí)時(shí)示波器是用來進(jìn)行電源噪聲測(cè)量的一種常用工具，但是如果使用方法不對(duì)可能會(huì)帶來完全錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。
由于電源噪聲帶寬很寬，所以很多人會(huì)選擇示波器做電源噪聲測(cè)量。但是不能忽略的是，實(shí)時(shí)寬帶數(shù)字示波器以及其探頭都有其固有的噪聲。如果要測(cè)量的噪聲與示波器和探頭的噪聲在相同數(shù)量級(jí)，那么要進(jìn)行精確測(cè)量將是非常困難的一件事情。
示波器的主要噪聲來源于２個(gè)方面：示波器本身的噪聲和探頭的噪聲。
所有的實(shí)時(shí)示波器都使用衰減器和放大器來調(diào)整垂直量程。設(shè)置衰減以后示波器本身的噪聲會(huì)被放大。比如，當(dāng)不用衰減器時(shí)，示波器的基本量程是５ｍＶ/格，假設(shè)此時(shí)示波器此時(shí)的底噪聲是５００ｕＶＲＭＳ。當(dāng)把量程改成５０ｍＶ/格時(shí)，示波器會(huì)在輸入電路中增加一個(gè)１０：１的衰減器。為了顯示正確的電壓信號(hào)，示波器最后顯示時(shí)會(huì)把信號(hào)再放大１０倍顯示。因此此時(shí)示波器的底噪聲看起來就有５ｍＶＲＭＳ了。因此，測(cè)量噪聲時(shí)應(yīng)盡可能使用示波器最靈敏的量程檔。但是示波器在最靈敏檔下通常不具有足夠的偏置范圍可以把被測(cè)直流電壓拉到示波器屏幕中心范圍進(jìn)行測(cè)試，因此通常需要利用示波器的ＡＣ耦合功能把直流電平濾掉只測(cè)量ＡＣ成分。
現(xiàn)在有12bits的示波器上市，如安捷倫9000H系列示波器，其噪聲相對(duì)小的多，只有0.7v@100mv/格，所以，能夠用12bits示波器，則是最好的選擇。
基于同樣的原因，在電源測(cè)量中也應(yīng)該盡量使用１：１的探頭而不是示波器標(biāo)配的１０：１的探頭。否則示波器的噪聲也會(huì)被放大。
探頭帶來的噪聲是在在衰減器前面耦合進(jìn)來的，因此無論衰減比設(shè)置多少，探頭貢獻(xiàn)的噪聲都是一定的。但是，在某些不正確的使用方法下，探頭可能會(huì)帶來額外的噪聲，一個(gè)典型的例子就是使用長(zhǎng)地線。為了方便測(cè)試，示波器的的無源探頭通常會(huì)使用１５ｃｍ左右的鱷魚夾形式的長(zhǎng)地線，但是這對(duì)于電源紋波的測(cè)試卻是不適用的，特別是板上存在開關(guān)電源的場(chǎng)合。由于開關(guān)電源的切換會(huì)在空間產(chǎn)生大量的電磁輻射，而示波器探頭的長(zhǎng)地線又恰恰相當(dāng)于一個(gè)天線，所以會(huì)從空間把大的電磁干擾引入測(cè)量電路。一個(gè)簡(jiǎn)單的驗(yàn)證方法就是把地線和探頭前端接在一起，靠近被測(cè)電路（不直接接觸）就可能在示波器上看到比較大的開關(guān)噪聲。因此測(cè)量過程中應(yīng)該使用盡可能短的地線。
現(xiàn)在很多被測(cè)件要求測(cè)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(shí)候最好用同軸電纜來進(jìn)行測(cè)量，雖然同軸電纜的阻抗只有50歐姆，但是對(duì)于毫偶級(jí)別的被測(cè)電源來說，負(fù)載影響很小，測(cè)試精度非常高。
但是用同軸電纜，示波器設(shè)置為50歐姆輸入阻抗時(shí)，示波器都是DC耦合，這時(shí)候可有兩種處理手段：
其一，在被測(cè)的電源的接觸點(diǎn)放置電容。電容一邊連接被測(cè)件，一邊接觸同軸電纜。一般電容用0.1uF即可。
其二，制作電源測(cè)試探頭。最好做一個(gè)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是自制探頭的示例。
最后要注意的一點(diǎn)是，通常電源測(cè)試都規(guī)定了某個(gè)頻率范圍內(nèi)的紋波和噪聲，比如２０ＭＨｚ以內(nèi)的，而一般示波器的帶寬都大于這個(gè)要求，因此測(cè)試時(shí)可以打開示波器的帶寬限制功能，這對(duì)于減小高頻噪聲也會(huì)有比較好的效果。
小結(jié)一下，對(duì)于電源紋波噪聲的測(cè)試，通常需要注意以下幾點(diǎn)：
● 盡量使用自制的電源測(cè)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(jù)需要使用帶寬限制功能；
電源分配網(wǎng)絡(luò)PDN輸出阻抗的測(cè)量
要衡量PDN性能，只用示波器測(cè)試CPU和IC管腳的電源紋波和噪聲是不夠的，而且出現(xiàn)問題后也沒有辦法定位問題。要精確衡量PDN的性能，還需要測(cè)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(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)或雙端口網(wǎng)絡(luò)一樣去表征PDN。這就要用到網(wǎng)絡(luò)分析儀工具。
用網(wǎng)絡(luò)分析儀去測(cè)試PDN，有兩大挑戰(zhàn)：
1、PDN的輸出阻抗和傳輸阻抗是豪歐級(jí)的（一般2m歐姆左右），想準(zhǔn)確測(cè)試，是一件比較困難的事情。
2、PDN工作時(shí)是帶直流電壓的，即帶偏置的，需要網(wǎng)絡(luò)分析儀有偏置測(cè)量的功能。
用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試毫歐級(jí)的輸出阻抗，不能簡(jiǎn)單的用一端口測(cè)試方法，因?yàn)樽杩固。瓷涮蟆＿@時(shí)比較好的方法是用雙端口測(cè)試方法，測(cè)試時(shí)用S21代替S11。
假設(shè)探測(cè)試電纜電感約為0，Z(DUT)遠(yuǎn)小于Zo（VNA端口阻抗），PDN輸出阻抗的計(jì)算公式如下：
ZDUT=Z11=S21x25
用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試毫歐級(jí)的輸出阻抗，也是用雙端口測(cè)試方法。
假設(shè)探測(cè)試電纜電感約為0，Z11，Z21，Z22遠(yuǎn)小于Zo，PDN傳輸阻抗的計(jì)算公式如下：
Z21=Z12=S21x25
電路板系統(tǒng)級(jí)PDN測(cè)量
如何探測(cè)？
要進(jìn)行電路板系統(tǒng)級(jí)PDN的測(cè)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(hào)針，四周四個(gè)腳是地針，需要用鉗子把3個(gè)腳針剪掉，留下一個(gè)即可。半剛性SMA電纜則需要剪斷，露出中間的信號(hào)針，外包的屏蔽焊接短線供連接地用。
探測(cè)時(shí)，盡量不要在同一個(gè)面探測(cè)，因?yàn)殡娏鳝h(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使得探頭之間互相耦合，產(chǎn)生誤差。如果只能在一面探測(cè)，請(qǐng)盡量使用半剛性SMA電纜自制的短針探頭探測(cè)。
如果不需要進(jìn)行 kHz 級(jí)以下的測(cè)量，并且可以在連接電纜上使用磁心，我們可以用 E5061B VNA 的 S 參數(shù)端口和簡(jiǎn)單的配置來對(duì)不加電或加電的系統(tǒng)電路板上的 PDN 阻抗進(jìn)行高達(dá) 3 GHz 的測(cè)量。如果我們需要測(cè)量比較低的頻率響應(yīng)，可用該儀器的增益－相位測(cè)試端口在 5 Hz 到 30 MHz 的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。在系統(tǒng)電路板應(yīng)用方面，直流－直流轉(zhuǎn)換器的高直流環(huán)路增益在它感應(yīng)線的連接點(diǎn)上保持著極低的低頻阻抗值。遠(yuǎn)離感應(yīng)點(diǎn)時(shí)，水平面電阻將使低頻值增大。這不是測(cè)量誤差，而是系統(tǒng)電路板 PDN 的實(shí)際特征。
DC-DC轉(zhuǎn)換器環(huán)路增益測(cè)量
隨著電子，自控，航天，通訊，醫(yī)療器械等技術(shù)不斷向深度和廣度的發(fā)展，勢(shì)必要求為其供電的電源要有更高的穩(wěn)定性，即不僅要有好的線性調(diào)節(jié)率、負(fù)載調(diào)節(jié)率還要有快速的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)。而這些因素都和控制環(huán)路有關(guān)，控制環(huán)路一般工作在負(fù)反饋狀態(tài)，稱之為電壓負(fù)反饋。如果變換器中沒有用到反饋控制環(huán)路（即下圖1中H部分），其傳遞函數(shù)一般為 其中G為輸入濾波、功率變換、整流濾波部分等因數(shù)的乘積（因?yàn)槠錇榧?jí)聯(lián)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，但是由于整流、濾波網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)時(shí)域的非線性，實(shí)際上這種變化應(yīng)該是近似于線性，所以當(dāng)輸入電壓改變的時(shí)候并不能很好的起到穩(wěn)壓的作用；如果反饋環(huán)路設(shè)計(jì)的不好，對(duì)于負(fù)載的瞬態(tài)改變，環(huán)路不能做出及時(shí)恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整，那么輸出電壓瞬間會(huì)偏高或者偏低，甚至有可能造成電源系統(tǒng)的振蕩，對(duì)下一級(jí)構(gòu)成損壞。此時(shí)能夠?qū)Νh(huán)路測(cè)量就顯得很重要了，那么環(huán)路部分又是怎樣影響整個(gè)回路的呢？參考金升陽公司寬壓或者AC-DC系列產(chǎn)品，此時(shí)下圖表示的是反饋環(huán)路控制部分中的運(yùn)放的環(huán)增益模型，其傳遞函數(shù)為
其中G：開環(huán)增益，H：反饋系數(shù)，GH：環(huán)增益（可以通過圖1中推導(dǎo)看出）
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PSM1700 PSM1735 PSM2200 FRA5087 頻率響應(yīng)分析儀
一、環(huán)增益穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)：
由傳遞函數(shù)
有，因?yàn)榉糯笃鞯拈_環(huán)增益G是頻率的函數(shù)，會(huì)隨著頻率的增加而減小，同時(shí)也和放大器的相位有關(guān)，當(dāng)GH= -1，則其傳遞函數(shù)的值為∞，即增益是無窮大的，可以認(rèn)為任意小的輸入擾動(dòng)都能引起輸出的無窮大，如果這種輸出無窮大的信號(hào)再反饋到功率變換環(huán)節(jié)，勢(shì)必會(huì)造成最后輸出的振蕩，整個(gè)系統(tǒng)因而不再穩(wěn)壓。所以說可以通過分析GH的增益和相位來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
又因?yàn)楫?dāng)GH= -1時(shí)是振蕩的，所以有相移∠GH是180°（因?yàn)樨?fù)反饋本身就有180°的相移），回路增益|GH|=1（0dB）。
所以要使運(yùn)放穩(wěn)定需要滿足以下條件：1.相位條件就是要其相移要小于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(guān)解釋下文給出。
二、Bode圖的基礎(chǔ)：
由上文知我們可以通過環(huán)增益GH的頻率特性來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)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，并且系統(tǒng)的穩(wěn)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(dāng)環(huán)路增益為單位增益時(shí)實(shí)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(dāng)總相位延遲為360deg 時(shí)，增益低于單位增益的量，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(shí)所對(duì)應(yīng)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(fù)載變化、溫升等）系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定,使用在標(biāo)稱輸入額定負(fù)載室溫下,要有45度的裕量；如果輸入電壓、負(fù)載、溫度變化范圍非常大, 相位裕量不應(yīng)小于30度。
增益裕量(gain margin)為了不接近不穩(wěn)定點(diǎn)，一般認(rèn)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制環(huán)路響應(yīng)的快慢。一般認(rèn)為帶寬越寬，其對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的抑制能力就越好，過沖、欠沖越小，恢復(fù)時(shí)間也就越快，系統(tǒng)從而可以更穩(wěn)定。但是由于受到右半平面零點(diǎn)的影響，以及原材料、運(yùn)放的帶寬不可能無窮大等綜合因素的限制，電源的帶寬也不能無限制提高，一般取開關(guān)頻率的1/20~1/6。
三、環(huán)路的測(cè)試
對(duì)環(huán)路的增益和相位的測(cè)量，我們可以通常可利用頻率響應(yīng)分析儀(FRA)或增益-相位分析儀進(jìn)行測(cè)量。這些儀器是通過對(duì)采樣獲得的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過A/D轉(zhuǎn)換，再利用DFT（離散傅里葉變換）運(yùn)算求得增益和相位，最后用曲線（Bode plot）表示出來。
本文將以株式會(huì)社NF公司的頻率響應(yīng)分析儀(FRA5087)來做分析，主要按照下邊的接線圖來進(jìn)行，注意環(huán)節(jié)是注入電阻的位置，以及大小，為了減小測(cè)量誤差，實(shí)驗(yàn)一般選取50~100Ω的電阻；有關(guān)擾動(dòng)信號(hào)的大小我們可以在測(cè)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(shè)置，不過要求擾動(dòng)的幅度不能超過輸出電壓的5%。否則測(cè)出來的結(jié)果是不準(zhǔn)確的。
FRA測(cè)量時(shí)注入電阻的位置及接線。
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