巧用示波器頻域方法分析電源噪聲

示波器頻域分析在電源調(diào)試的應(yīng)用
本文談到這么多年來(lái)最受關(guān)注的電源噪聲測(cè)量問(wèn)題，有最實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有實(shí)測(cè)案例佐證，有仿真分析相結(jié)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(cè)量其幅值，據(jù)此判斷電源噪聲的來(lái)源。但是隨著數(shù)字器件的電壓逐步降低、電流逐步升高，電源設(shè)計(jì)難度增大，需要使用更加有效的測(cè)試手段來(lái)評(píng)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(zhuǎn)換，將時(shí)域電源噪聲波形轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析。電路調(diào)試時(shí)，從時(shí)域和頻域兩個(gè)角度分別來(lái)查看信號(hào)特征，可以有效地加速調(diào)試進(jìn)程。

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

在調(diào)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(diào)整模塊（VRM）、去耦電容、PCB電源地平面對(duì)、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(shù)量級(jí)容值的電容配合使用，充分覆蓋中頻段（數(shù)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(duì)形成了一個(gè)平板電容，也具有去耦作用，大約作用在數(shù)十兆。芯片封裝和芯片負(fù)責(zé)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(shù)十兆甚至幾兆。因此，在電流負(fù)載不變的情況下，我們只要判斷出電壓噪聲出現(xiàn)在哪個(gè)頻段，那么針對(duì)這個(gè)頻段所對(duì)應(yīng)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(jù)傳統(tǒng)電源調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)用場(chǎng)景的需求。結(jié)果紋波僅降低幾mV，改善微乎其微。產(chǎn)生這個(gè)結(jié)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(nèi)；2、增加電容影響了電源調(diào)節(jié)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。

示波器的頻域分析功能是通過(guò)傅立葉變換實(shí)現(xiàn)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(hào)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(hào)切換到頻域的分析方法。數(shù)字示波器采樣到的序列是離散序列，所以我們?cè)诜治鲋凶畛Ｓ玫氖强焖俑盗⑷~變換（FFT）。FFT算法是對(duì)離散傅立葉變換（DFT）算法優(yōu)化而來(lái)，運(yùn)算量減少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且需要運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)越多，運(yùn)算量節(jié)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(jù)耐奎斯特抽樣定律，變換之后的頻譜展寬（Span）對(duì)應(yīng)與原始信號(hào)的采樣率的1/2，如果原始信號(hào)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(duì)應(yīng)于采樣時(shí)間的倒數(shù)，如果采樣時(shí)間為10mS，則對(duì)應(yīng)的頻率分辨率為100Hz；
　　

3、頻譜泄漏，即信號(hào)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(hào)頻率同步，延長(zhǎng)采集信號(hào)時(shí)間及使用適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)。

電源噪聲測(cè)量時(shí)不要求較高的采樣率，所以可以設(shè)置很長(zhǎng)的時(shí)基，這也意味著采集的信號(hào)時(shí)間可以足夠長(zhǎng)，可以認(rèn)為覆蓋到了整個(gè)有效信號(hào)的時(shí)間跨度，此時(shí)不需要添加窗函數(shù)。調(diào)整以上設(shè)置可以得到比較準(zhǔn)確的FFT變換曲線(xiàn)了，再通過(guò)zoom功能查看感興趣的頻點(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(jù)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。