电源纹波和电源噪声的区别 如何提高芯片噪声测量的准确性

芯片的供电环路从稳压模块VRM开始，到PCB的电源网络，芯片的ball引脚，芯片封装的电源网络，最后到达die. 当芯片工作在不同负载时，VRM无法实时响应负载对电流快速变化的需求，在芯片电源电压上产生跌落，从而产生了电源噪声。对于电源会产生和开关频率一致的电源纹波，始终叠加在电源上输出。

如图所示输出电压的波形，包含开关的纹波，负载跳变的引起的跳变，还有耦合进来的噪声。

测量输出的纹波时，应将探头放置于输出电容处，避免噪声的耦合。在没有负载跳变时，可以限制带宽，得到比较干净的纹波波形。

测试波形如下图：

为避免过多的噪声耦合到纹波测试，应用尽可能小的环路，避免耦合的噪声过大。一般的示波器探头不能直接使用，需用专用示波器探头或者使用同轴电缆小环;并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。

测量输出的纹波时，应将探头放置于输出电容处，避免噪声的耦合。在没有负载跳变时，可以限制带宽，得到比较干净的纹波波形。

噪声的来源

电源纹波和电源噪声是两种不同类型的电源问题，它们有着不同的特征和来源。

电源纹波：

定义：电源纹波是指电源输出中的交流波动或波纹。它是由电源本身的设计、负载变化或其他外部因素引起的。

特征：通常以毫伏（mV）为单位进行测量。纹波是在直流电平上的小幅波动，其频率可以因电源设计、交流干扰等原因而异。

来源：开关电源本身的开关特性形成的。开关电源的纹波是指，叠加在开关电源输出电压上，频率与开关频率一致的交流量，其产生原因是开关电源的电流纹波作用在电容的ESR上。

影响：电源纹波若超出规定范围可能影响电子设备的正常运行，尤其对于需要稳定电源的精密设备，如计算机、通信设备和实验室设备，这可能是一个关键问题。

纹波测量：用同轴电缆从电源模块上引出输出，接到隔直板上，然后再通过同轴电缆接入示波器。示波器阻抗选择50欧姆，AC耦合，带宽限制在20MHz，然后进行测量与读数。测出的波形一般近似于三角波。其实也可以使用无源探头进行测量。

电源噪声：

定义：电源噪声是电源输出中存在的随机、不期望的电压或电流波动，与电源纹波不同，它不一定是规律的周期性波动。

特征：电源噪声可以包含各种频率范围内的干扰和杂波，从几赫兹到几十千赫兹不等。其振幅和频率可能不稳定或变化较大。

来源：电源噪声可以来自于许多方面，包括电源电磁干扰、开关电源的开关频率、电源线路中的干扰、设备内部的互相干扰等。噪声一般是指全带宽下输出电压上叠加的交流量，包含纹波。

影响：电源噪声可能导致设备性能下降，对灵敏的电子元件和信号传输有干扰，可能会产生杂音、图像不清晰、通信干扰等问题。

噪声测量：将示波器的带宽限制取消，其余配置相同，然后进行测量与读数。

总的来说，电源纹波是在电源输出中的周期性波动，而电源噪声是更为随机的、不规律的干扰。虽然两者都是电源质量问题，但其性质和影响略有不同，需要采取不同的方法来检测、衡量和解决。

如何提高芯片噪声测量的准确性

目前芯片的工作频率越来越高，工作电压越来越低，工作电流越来越大，噪声要求也更加苛刻。对于要求低噪声的电源测试非常具有挑战，影响其测量准确性的主要有如下几点：

（1）示波器通道的底噪；

（2）示波器的分辨率（示波器的ADC位数）；

（3）示波器垂直刻度最小值（量化误差）；

（4）探头带宽；

（5）探头GND和信号两个测试点的距离；

（6）示波器通道的设置；

在测试电源噪声时，要求如下条件：

（1）需要在重负载情况下测试电源纹波；

（2）测试电源纹波时应该将CPU、GPU、DDR频率锁定在最高频；

（3）测试点应该在SINK端距离PMU最远的位置；

（4）测试点应该靠近芯片的BALL；

（5）带宽设置为全频段；

（6）示波器带宽大于500MHz；

（7）噪声波形占整个屏幕的2/3以上或者垂直刻度已经为最小值；

（8）探头地和信号之间的回路最短，电感最小；

（9）测试时间大于1min，采样时间1ms以上，采样率500Ms/s以上；

（10）纹波噪声看Pk-Pk值，关注Max、Min值；

在测量电源纹波时，通常使用示波器探头进行测试。无源探头、有源探头和同轴电缆都有各自的用途和优势，取决于具体的测量需求。

无源探头：

无源探头是一种简单的探头，不需要外部电源供应。它通常用于测量较小幅度的信号，并且对被测电路的影响较小。

适用于一般的信号测量，但在一些需要更高增益或精确度的情况下可能不够。

带宽特点：一般而言，无源探头的带宽较窄，一般在几十MHz至低GHz的范围内。这意味着它们可以适用于一般的信号测量，但对于高频率的电源纹波或噪声，可能带宽不足以有效捕获所有频率成分。

有源探头：

有源探头包含一个内置的放大器，可以提供更高的增益，并且对信号的捕捉更为敏感。它们通常用于测量微弱信号或高频信号。

这些探头需要外部电源供应。它们对被测电路的影响也相对较小。

带宽特点：有源探头通常具有更宽的带宽范围，可以覆盖从几百MHz到数GHz的范围。这使得有源探头能够更有效地捕获高频率的电源纹波和噪声。

昂贵且容易损坏：弄坏高带宽有源探头，损失一辆小汽车

同轴电缆：

同轴电缆可用于连接示波器和被测电路，提供较好的屏蔽和抗干扰能力。

在一些需要减小干扰或长距离测量的情况下，同轴电缆可能是一个不错的选择。

带宽特点：同轴电缆可以提供较好的抗干扰能力，其带宽范围广泛，可以覆盖从几十MHz到数GHz的范围。这使得同轴电缆适用于传输和连接高频信号。

在测量电源纹波时，通常可以使用无源探头或有源探头。选择探头取决于需要测量的纹波幅度大小、频率范围，以及对电路干扰的容忍度。通常情况下，无源探头可以胜任大多数电源纹波的常规测量，但若需要更高灵敏度或更小幅度的波动测量，则有源探头可能更合适。使用同轴电缆可以在长距离传输信号或需要较强抗干扰能力时提供更可靠的连接。

我们在测试纹波的时候，希望能够测试准确，不希望其他频段的干扰引入导致测试数据异常。所以用同轴电缆或者探头测试纹波的时候，地线的处理都尤为关键，否则会通过地线引入不必要的噪声。

在图所示的示例中，测试者犯了两个错误。他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针；他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均置于电源变压器和开关元件附近；他的最后一个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中，存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形，其中包括耦合自电源变压器的磁场，耦合自开关节点的电场，以及由变压器互绕电容产生的共模电流。

DC/DC模块的电源纹波指标是一项很重要的参数。干净的电源是数字电路稳定工作的前提，也是模拟器件的各项参数的重要保障。为确定电源的质量，必须对DC/DC模块的输出纹波进行测量。但很多人测量得到的纹波值动辄上百mV，甚至几百mV，远远比器件手册提供的最大纹波值大，这主要是测量方法的不正确造成的。

正确的测量方法

1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz，高端产品还有200MHz带宽限制的选择)，目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量，尽量保证测量的准确性。

2)设置耦合方式为交流耦合，方便测量(以更小档位来仔细观测纹波，不关心直流电平).

3)保证探头接地尽量短(测量纹波动辄上百mV的主要原因就是接地线太长)，尽量使用探头自带的原装测试短针。如果没有测试短针，可以拆除探头的接地线和外壳，露出探头地壳，自制接地线缠绕在探头地壳上，保证接地线长度小于1cm。

4)示波器地悬空，只通过探头地与测试信号的参考点共地，不要通过其他方式与测试设备共地，这样会给纹波测量引入很大的地噪声。例如：当示波器和其他仪器共插线板时，其他仪器的开关可能通过接地线给测试带来噪声干扰。

地线过长，导致测试结果明显不正确。

探头的GND和信号两个探测点的距离也非常重要，当两点相距较远，会有很多EMI噪声辐射到探头的信号回路中（如下图所示），示波器观察的波形包括了其他信号分量，导致错误的测试结果。所以要尽量减小探头的信号与地的探测点间距，减小环路面积。

在隔离电源中，会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降，从而表现为纹波。要防止这一问题的出现，我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外，将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器，其在不影响差分电压测量的同时，还减少了共模电流引起的测量误差。下图显示了该完全相同电路的纹波电压，其使用了改进的测量方法。这样，高频峰值就被真正地消除了。

1.有条件的话使用隔直板+同轴电缆的配置，同轴电缆能很好的抑制空间中的辐射。

2.单纯使用示波器测量的话，地线夹要尽可能短，并绕在探针上，即成环最小；有条件的话，将示波器引线缠绕在铁氧体磁芯上。

3.最好直接测量电源模块的输出引脚。

使用同轴电缆

电源纹波应该采用同轴电缆测试

同轴电缆测试的结果较为准确，且受到人为因素的影响较小（焊接在单板上结果较稳定）；缺点为测试需要焊接，若测试点较多，耗费时间较长，若操作不甚，还有可能会损坏单板。

同轴电缆测试工作原理图如下：

测试点选择

焊接位置选取靠近被测对象的滤波电容处（即离芯片管脚最近，条件允许的情况下，优先选取背面的电容进行测试，靠近芯片管脚是为了更真实的测到负载的情况），如有空焊盘亦可选取

测试时，测试点尽量选取小电容作为测试点；现在所用电容，特别是BGA的去耦电容，封装都比较小，一般为0201。为方便测试，可在电缆上焊接不大于0.5cm的漆包线，地线可以选择最近的地 。

若被测对象同一网络电源管脚较分散，一般尽量选取靠近负载且离电源源端较远的点，如果同一网络分散在芯片周围，应至少选取两个离电源源端较远的点进行测试。

示波器的设置

测试项解读：

测试项 MAX：当前屏幕波形中的最大值。

测试项 MIN：当前屏幕波形中的最小值。

测试项 PK-PK：当前屏幕波形中的峰峰值。

图中每一个测试项有五个值，第一个值为当前屏幕的值，第二个值μ为RUN到STOP的统计平均值，第三个值m为RUN到STOP的统计最小值，第四个值M为RUN到STOP的统计最大值，第五个值σ为标准差，上面Acqs为统计次数。

纹波读取MAX,MIN,PK-PK的值（MAX PK-PK记录最大值，MIN记录最小值），上图中，噪声的PK-PK值为32mv，MAX值为16mv，MIN值为-18.4mv。

同轴线外部隔直电容DC50欧耦合测试

由于无源探头的带宽较低，而电源开关噪声一般都在百MHz以上，同时电源内阻一般在几百毫欧以内，选择高阻1Mohm的无源探头对于高频会产生反射现象，因此可以选择用同轴线来代替无源探头，此时示波器端接阻抗设置为50欧，与同轴线阻抗相匹配，根据传输线理论，电源噪声没有反射，此时认为测量结果最准确。

利用同轴线的测量方法，最准确的是采用DC50欧，但是大部分示波器在DC50欧时offset最大电压为1V，无法满足大部分电源的测量要求，而示波器内部端接阻抗为50欧时，不支持AC耦合，因此需要外置一个AC电容，如图6所示，当串联电容值为10uF时，根据表1可以看到，此时可以准确测试到2KHz以上的纹波噪声信号。

图 6  同轴线DC50测量图

同轴线AC1M欧耦合测试

由于从PMU出来的电源纹波噪声大多集中在1MHz以内，如果采用同轴线DC50外置隔直电容测量方法，低频噪声分量损失较为严重，因此改用图所示的测量方法，利用同轴线传输信号，示波器设置为AC1M，这样虽然存在反射，但是反射信号经过较长CABLE线折返传输后，影响是有限的，示波器在R2上采集电压值可以认为仍然可以被参考。

同轴线AC1M测量图

为了避免反射，在同轴线接到示波器的接口处端接一个50ohm电阻，使示波器输入阻抗和cable线特征阻抗匹配。

同轴线AC1M测量改进图

审核编辑：汤梓红