示波器頻域分析在電源噪聲的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2019-03-18 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】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。一起來(lái)看看吧!
電源噪聲是電磁干擾的一種,其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz~30MHz,最高可達(dá)150MHz。電源噪聲,特別是瞬態(tài)噪聲干擾,其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高、隨機(jī)性強(qiáng),對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。
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)頻譜中各譜線之間相互干擾,能量較低的譜線容易被臨近的高能量譜線的泄漏所淹沒(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。
一般來(lái)說(shuō),11.3KHz應(yīng)該是VRM的管轄范圍,此處出現(xiàn)較大噪聲說(shuō)明VRM電路設(shè)計(jì)不能滿足 要求。這里對(duì)VRM的性能進(jìn)行分析,VRM分析的方法眾多,此處主要采用仿真其反饋環(huán)路波特圖的手段。波特圖主要觀察幾個(gè)關(guān)鍵信息:1、穿越頻率,增益曲 線穿越0dB線的頻率點(diǎn);2、相位裕度,相位曲線在穿越頻率處所對(duì)應(yīng)的相位值;3、增益裕度,相位在-360°時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益值。這里我們主要關(guān)注穿越頻 率和相位裕度這兩個(gè)指標(biāo)。從VRM的環(huán)路波特圖(如下圖a)可以看到,VRM的穿越頻率在8KHz左右,相位裕度37度。這里存在兩個(gè)問(wèn)題:首先VRM的 相位裕度一般需要大于45度才能保證環(huán)路的穩(wěn)定工作,這里相位裕度稍小一些,需要增加相位裕度;其次穿越頻率太低,穿越頻率附近VRM的調(diào)整作用逐漸降低,而此頻點(diǎn)bulk電容還起不到作用,所以在8KHz附近會(huì)存在較高的阻抗,這個(gè)頻點(diǎn)的噪聲抑制作用較差。下圖(b)是優(yōu)化VRM環(huán)路之后的波特圖,調(diào)整相位裕度到50度,穿越頻率推到46KHz左右。
對(duì)優(yōu)化后的VRM驗(yàn)證紋波,可以看到紋波明顯降低到33mv,能夠滿足器件要求。
上述案例是使用示波器FFT功能快速定位電源問(wèn)題的過(guò)程,從這個(gè)例子可以看到示波器的頻域分析功能在電路調(diào)試時(shí)可以發(fā)揮很大作用。示波器的FFT功能配合長(zhǎng)存儲(chǔ)深度可以很方便地分析低頻率長(zhǎng)周期信號(hào),這個(gè)優(yōu)勢(shì)在數(shù)字電路調(diào)試中比較突出。
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