電源完整性的相關(guān)問題——電源噪聲分析

2016-11-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

近期完成了一個(gè)大公司的電源完整性分析,這個(gè)對(duì)于電子產(chǎn)品相當(dāng)重要,下面給大家科普一下:

什么是電源噪聲?

一提到電源噪聲,相信就會(huì)引起很多電子工程師的共鳴。我們平時(shí)所說的電源噪聲到底是什么呢?它等同于電源紋波嗎?事實(shí)上,電源噪聲不同于電源紋波,它是出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分。而紋波是出現(xiàn)輸出端子間的一種與輸入頻率、開關(guān)頻率同步的成分,是疊加在穩(wěn)定直流信號(hào)上的交流干擾信號(hào)。

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電源噪聲波形

電源噪聲的分析方法:

在電源噪聲的分析過程中,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,在觀察時(shí)域波形無法定位故障時(shí),可以通過 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)角度分別來查看信號(hào)特征,可以有效地加速調(diào)試進(jìn)程。

示波器的頻域分析功能是通過傅立葉變換實(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,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。避免頻譜泄漏可以盡量采集速率與信號(hào)頻率同步,延長采集信號(hào)時(shí)間及使用適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)。

電源噪聲測(cè)量時(shí)要求采集的信號(hào)時(shí)間可以足夠長,可以認(rèn)為覆蓋到了整個(gè)有效信號(hào)的時(shí)間跨度。

電源噪聲的來源:

電源系統(tǒng)的噪聲來源有三個(gè)方面:

第一,穩(wěn)壓電源芯片本身的輸出并不是恒定的,會(huì)有一定的波紋。這是由穩(wěn)壓芯片自身決定的,一旦選好了穩(wěn)壓電源芯片,對(duì)這部分噪聲我們只能接受,無法控制。

第二,穩(wěn)壓電源無法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)于電流需求的快速變化。穩(wěn)壓電源芯片通過感知其輸出電壓的變化,調(diào)整其輸出電流,從而把輸出電壓調(diào)整回額定輸出值。多數(shù)常用的穩(wěn)壓源調(diào)整電壓的時(shí)間在毫秒到微秒量級(jí)。因此,對(duì)于負(fù)載電流變化頻率在直流到幾百KHz之間時(shí),穩(wěn)壓源可以很好的做出調(diào)整,保持輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍時(shí),穩(wěn)壓源的電壓輸出會(huì)出現(xiàn)跌落,從而產(chǎn)生電源噪聲?，F(xiàn)在,微處理器的內(nèi)核及外設(shè)的時(shí)鐘頻率已經(jīng)超過了600兆赫茲,內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換時(shí)間下降到800皮秒以下。這要求電源分配系統(tǒng)必須在直流到1GHz范圍內(nèi)都能快速響應(yīng)負(fù)載電流的變化,但現(xiàn)有穩(wěn)壓電源芯片不可能滿足這一苛刻要求。我們只能用其他方法補(bǔ)償穩(wěn)壓源這一不足,這涉及到后面要講的電源去耦。

第三,負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗上產(chǎn)生的壓降。PCB板上任何電氣路徑不可避免的會(huì)存在阻抗,不論是完整的電源平面還是電源引線。對(duì)于多層板,通常提供一個(gè)完整的電源平面和地平面,穩(wěn)壓電源輸出首先接入電源平面,供電電流流經(jīng)電源平面,到達(dá)負(fù)載電源引腳。地路徑和電源路徑類似,只不過電流路徑變成了地平面。完整平面的阻抗很低,但確實(shí)存在。如果不使用平面而使用引線,那么路徑上的阻抗會(huì)更高。另外,引腳及焊盤本身也會(huì)有寄生電感存在,瞬態(tài)電流流經(jīng)此路徑必然產(chǎn)生壓降,因此負(fù)載芯片電源引腳處的電壓會(huì)隨著瞬態(tài)電流的變化而波動(dòng),這就是阻抗產(chǎn)生的電源噪聲。在電源路徑表現(xiàn)為負(fù)載芯片電源引腳處的電壓軌道塌陷,在地路徑表現(xiàn)為負(fù)載芯片地引腳處的電位和參考地電位不同(注意,這和地彈不同,地彈是指芯片內(nèi)部參考地電位相對(duì)于板級(jí)參考地電位的跳變)。

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