电源轨测量入门应用指南

PRBTEK 2023-10-16 503

电子说

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描述

当今大多数电子设计需要许多不同的电源电压才能正常工作。事实上，给定电路中的许多组件都需要多个电压。对于多种技术接口在一起的高度集成的片上系统和微处理器设计尤其如此。

由于多种因素，执行直流电源轨测量变得越来越困难：

电源效率功能，例如电源门控、动态电压和频率调节或 DVFS

具有快速瞬变的动态负载

串扰和耦合增加

具有更快上升时间的开关稳压器

这就引出了一个重要的问题：面对所有这些挑战，如何确保系统的每个部分获得正确的电源来满足其需求?

首先，让我们从高层次来了解一下电源轨及其一些特性。

检查每条直流线路以确定所提供的电源是否在目标系统或设备的容差范围内非常重要。这包括线路的标称直流值，以及存在的任何交流噪声或耦合。电源轨信号中的交流噪声可以进一步细分为宽带噪声、周期性事件和瞬态事件(图 1)。

所有这三个噪声源都会影响到达设备的电源质量，因此将这些噪声源减少到目标设备可以正常运行非常重要。

在最大限度地减少这些噪声源之前，您需要能够看到它们并准确测量它们。但电源轨测量提出了一些独特的测量挑战，因此需要考虑以下几点：

带宽要求

系统噪声和附加探头噪声

交流或直流输入耦合的权衡

电源轨的负载挑战

图 1. 直流电源噪声的组成部分。

带宽

纵观许多功率传输设计，几十 MHz 的测量系统带宽似乎就足够了。大多数开关设计的开关频率为数百 kHz 甚至几 MHz。较大的物理设计和运行较高电源电压的设备对噪声不太敏感。因此，超过 20MHz 的噪声含量很少是一个问题。

现在，随着设计尺寸和电源电压的缩小，公差也随之而来。配电网络更多地作为传输线环境进行分析，检查交叉耦合、线路阻抗和谐振区域等内容(图 2)。

同样重要的是要记住，功率转换器件的基本开关频率可能相对较慢，但边沿速度和上升时间通常要快得多，以帮助减少开关损耗。这些边缘和其他干扰源会激励配电网络，从而产生更高频率的噪声和谐波。根据目标设备和电路的功能，这些高次谐波可能会干扰操作。选择具有足够带宽的示波器和探头来查看这些事件对于诊断与高频干扰相关的问题至关重要。泰克提供 1 GHz 和 4 GHz 电源轨探头来直接满足这一需求。

图 2. 通道 3(红色迹线)是对电源轨的捕获，该电源轨具有耦合到线路上的高频干扰。如果该能量太大，可能会干扰设备的运行或造成损坏。

为正在进行的测量选择正确的连接

图 3. TPR4000 和 TPR1000 的模块化连接器和焊接附件允许工程师为任何任务选择正确的连接选项。

在评估电源轨探测解决方案时，请务必记住，与 DUT 的连接是获得高质量测量的最大驱动因素。提供低电感接地路径并具有最小有效电容的连接将减少振铃并提供最大带宽。这些连接实际上是通过焊入适配器和高性能连接器来实现的。当需要在计划外的测试点上进行重复测试时，微型同轴电缆和柔性焊入适配器可提供与被测设备的半永久连接(图 4)。

当工程师进行测试设计时，小型射频连接器(例如泰克电源轨探头附带的 MMCX 电缆)可提供可重复且可靠的信号访问。虽然这些连接提供了最佳的信号完整性，但它们并不总是很方便，因为它们需要在设计系统时修改目标设备或规划测试点。为了更快、更方便地进行探测，可以使用浏览器和适配器。泰克提供 TPRBRWSR1G 供工程师在需要快速访问带宽高达 1 GHz 的信号时使用。随附的小元件夹和方针适配器有助于更轻松地连接到测试点。

图 4. TPR4SIAFLEX 焊入式适配器连接在 0402 去耦电容器上。

值得注意的是，大多数浏览器附件通常会降低系统的带宽。例如，飞线方针适配器的有效带宽通常不会超过几百 MHz。添加夹子和其他连接辅助工具后，这种情况会进一步减少。

选择连接方法时最后要考虑的是进行测试的环境。许多系统验证工程师需要在极端温度下测试设计。专门设计的极端温度电缆和焊点(如 TPR4KITHT 中包含的焊点)可以处理 -55 至 +155C 的测试设备。

管理测量系统和环境噪声

采取基线

由于工艺几何尺寸缩小，电源电压变得越来越小，因此需要进行低噪声测量才能看到直流电源上存在的微小变化。此外，许多设计更加严格地关注电源完整性。这样做的一个影响是每个电源的容差更严格。为了测量这一点，不仅示波器需要具有极低的噪声才能看到这些事件，而且连接到示波器的任何探头对测量的噪声影响也应很小。测量设备添加的噪声越少，所看到的信号就是设备的实际行为的可信度就越高。

对仪器和所连接的任何探头进行基线噪声测量可以让用户了解整个系统的噪声性能。简单测量(例如无信号时输入端电压的峰峰值和 RMS)是比较探测系统的附加噪声的快速方法(图 5)。

图 5. 通道 1(黄色迹线)是没有输入的示波器通道，而通道 2(蓝色迹线)是输入短路的 TPR1000。请注意，在 1 GHz 带宽下，探头仅向示波器输入添加 17 μV 的噪声。

使用 10x 无源探头进行电源轨测量有什么问题?

在查看各种信号时，高衰减探头可提供很大的动态范围，但与低衰减探头相比，由于衰减，通常会引入更多的测量噪声(图 6)。这是因为信号除以衰减因子，使其更接近测量系统的本底噪声。这可以通过计算信噪比 (SNR) 来显示。

例如，如果我们选择 10 mV 的输入和 200 μV 的随机噪声规格(该规格可以在示波器的数据表上作为随机噪声找到，通常以 Vrms 为单位给出)，则 10x 探头的 SNR 将为是

另一方面，低衰减 1.25x 探头的 SNR 为

图 6. 通道 2(蓝色迹线)显示传统 10x 无源探头的峰峰值噪声为 157.1 mV，而在通道 1(黄色迹线)上使用 Tektronix TPR1000 电源轨探头时噪声峰峰值为 38.7 mV。

垂直刻度设置对噪声性能的影响

仪器的噪声性能随垂直灵敏度设置而变化，较高的灵敏度范围比较低的灵敏度范围提供更好的噪声性能。最大化屏幕上显示的信号将为仪器提供更高的分辨率和更准确的信号表示。较低的垂直灵敏度范围通常会使信号看起来比实际具有更多的峰值噪声(图 7)。

图 7. 垂直尺度对测量的随机噪声的影响。两个通道的输入均未附加任何内容。通道 3 在 1 mV/div 时具有 521.2 μv 峰峰值噪声，而通道 4 在 100 mV/div 时具有 8.953 mv 峰峰值噪声。这大约是通道 4 上报告的噪声的 17 倍。请注意，对于通道 4，8.953 mV 小于满量程电压的 1%。

其他降噪方法

泰克 4、5 和 6 系列 MSO 上的高分辨率等功能允许用户通过使用超额采样率生成更高分辨率的样本来进一步降低噪声。它通过基于当前采样率应用独特的有限脉冲响应 (FIR) 硬件滤波器来实现此目的。这些 FIR 滤波器在给定采样率下保持可能的最大带宽，同时抑制混叠。高分辨率模式具有实时运行的优点，因此可以进行瞬态事件和单次测量，这与其他波形平均方法不同。

选择正确的示波器输入耦合设置

为什么直流偏移对于测量电源轨来说是一个挑战?

许多设计都具有大容量电源电压，可通过各种 DC/DC 转换器过滤至各种 IC 和系统所需的电源电压。通常情况下，大容量电源电压比 IC 所需电压高很多倍。例如，车辆将 12 伏直流电压转换为运行信息娱乐和安全系统中的处理器所需的低于 1 伏电源电压(图 8)。

图 8. 汽车信息娱乐系统供电系统图。

数据中心通过 12、24 或 48 V 直流电源向服务器供电的情况也很常见，然后将其转换为主板上的其他电源电压。能够查看从电源输出到 IC 引脚的链条中的每个环节，有助于识别从其他电压域传输的噪声(图 9)。

图 9. 服务器供电系统图。

因此，选择能够提供足够偏移的探头来查看供电网络中正在测试的所有电源轨非常重要。这很困难，因为许多示波器前端根据所选的垂直灵敏度限制可用的偏移。因此，在每格电压设置较低时，仪器的偏移量将较小。(上一节表明，选择正确的垂直灵敏度范围会对测量结果产生重大影响。)高衰减探头通常具有更多的偏移能力，但如上所示，通常比低衰减探头具有更多的噪声。

通过使用示波器的交流耦合可以避免处理直流偏移，这样可以消除信号的直流分量，但这也会掩盖可能发生的任何低频事件，例如电压下降。

使用直流耦合模式查看低频事件

如果可以将足够的直流偏移添加到输入信号中，直流耦合可以更全面地了解设备的行为，因为交流耦合会隐藏低频信息，例如负载变化时的电压线下降或蠕变(图 10 )。电源轨探头经过专门设计，可为示波器/探头系统添加足够的偏移范围，以支持大多数电源轨上的直流耦合。TPR4000 和 TPR1000 具有 +/- 60V 的直流偏移，可满足汽车、工业和数据中心应用中最常见的标准。

图 10.

一些微处理器和电源管理 IC 采用节能功能，例如动态频率和电压调节，可根据工作负载改变直流电源电压。这些特征很难用交流耦合模式下的仪器进行分析，因为仪器不显示低频信息(图 11)。

图 11. 随着频率增加而调整所需输入电压的器件示例。许多交流耦合滤波器会忽略步骤之间约 2 Hz 的频率分量

最小化负载

探头阻抗如何影响电源轨测量

为了进行电源完整性测量而探测电源轨的挑战是选择一种探测方法来查看直流电源上的高频交流内容，同时还要注意不要对信号的直流部分施加过多负载，从而导致不准确或不准确。干扰设备操作。高阻抗探头为直流情况提供最佳负载，但通常会产生过多的噪声，或者没有足够的带宽来查看感兴趣的高频事件，同时还会对信号进行直流耦合。50 Ω 传输线为电源轨上的高频信号提供出色的负载，但可充当直流信号的低阻抗分压器。

用于进行电源轨测量的理想探头应在直流时提供非常高的电阻，在交流时提供 50 Ω 的传输线。泰克 TPR4000 和 TPR1000 电源轨探头提供 50 kΩ 高直流电阻，并在较高频率下过渡到 50 Ω。这提供了两全其美的优点，并避免了其他探测选项的限制。

概括

随着对电源完整性的需求不断增加，电源轨分析将继续成为工程师的重要工具。泰克 TPR4000 和 TPR1000 经过专门设计，可应对直流电源时面临的独特测量和连接挑战。当与泰克示波器的捕获和测量功能配合使用时，它们可为任何工程师提供出色的电源轨分析工具。