关于一个电源纹波和噪声分析的案例

编者注：在电源设计中，其实每个人在设计时候的出发点都是好的，但是如何让事情往自己想象的方向发展还是蛮难的。       

对于目前电路板级的电源系统，我们一般将其称为一个电源传输/分配系统 (PDS)，并且可将此系统分为电源端(VRM) 和用电芯片端 (Sink)两部分。对于电源的AC特性，我们常常会想到电源纹波，有时也会称为电源噪声，噪声与纹波往往会被大家混为一谈，其实噪声和纹波是有区别的。

电源纹波指标是开关电源模块或者 DC/DC 的一项很重要的参数。

电源纹波可以理解为电源模块包括 VRM输出电压波动，和复杂的供电网络无关，或者说是电源输出的源端的电压的波动。电源噪声则是指电源模块工作在实际产品系统中，经过供电分布网络将电源能量输送到芯片管脚处，在芯片管脚处的电压的波动，或者简单说是电源输出的末端的电压的波动。

电源噪声从输出端经过供电网路 (PDN) 传输后到芯片管脚除了电源本身的纹波之外可能增加或者耦合进了其它电路部件的干扰比如时钟的串扰，以及电路本身工作过程中带来的其他噪声，典型的比如DDR 总线工作时的 SSN 噪声 ( Simultaneous Switching Noise ) 或者地弹 ( Ground Bounce ) 等。

通常电源纹波频率由 MOSFET切换频率决定，在几百 KHz 到MHz 级别，时钟串扰带来的电源噪声频率则在几十 MHz 到百MHz 左右，而 SSN噪声则与总线或者信号传输的切换频率有关，最高可能达 GHz 级别，比如 DDR4总线切换频率可能达2GHz左右。因此可见电源纹波通常在低频段，而电源噪声则要考虑到更高频段。

干净的电源是数字电路稳定工作的前提，为确保电源供应的质量，必须对电源的纹波和噪声进行测量。

传统上，工程师通常只是对电源纹波进行测量而忽视电源噪声的测量。而随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐，导致信号环境日趋复杂，同时信号幅度和电源供电幅度均大幅下降，相应地对电源纹波和噪声的要求日益提高。

以 DDR4 规范 JESD79-4A 为例，VDDQ_DC 值仅为 1.2V，而 DQVref 相关参数值均有严格的范围：

表 1. DDR4 标准中 DQ 内部 Vref 规范表

事实上，近年来随着高速串行信号速率发展到几十个 Gbps，电源完整性的重要性正在日益凸显。电源纹波和噪声的干扰是影响高速数字串行总线传输质量的主要因素之一，电源纹波和噪声的测试是电源完整性的一个重要方面。

电源纹波和噪声测试工具的挑战和方案

面对如今严峻的电源纹波和噪声测试挑战，又该如何应对？

工欲善其事，必先利其器。为了测试到 2GHz 左右的电源噪声首先您必须有一台带宽达 2GHz 的高精度低噪声示波器和探头组合，其次您还需要掌握一定的测试技巧。

为什么示波器的本底噪声在当下的高精源度的电纹波和噪声测试中如此重要呢？

探头和示波器前端噪声引入的测量误差

如上图所示，被测信号在耦合探头和示波器前端的噪声后最终在示波器上显示的波形也许与原始形状发生很大的变化，也就是说由于测量系统的原因带来很大的测试误差。如果发生这种情况，显然测量工作反而会带来严重的误导！

另外进行电源纹波和噪声测试推荐采用衰减比为 1:1 的示波器探头，因为 1:1 衰减比的探头对信号没有衰减那么在示波器里也不会再进行放大，因此不会放大示波器前端的本底噪声。如下图示，采用最常见的 10:1 衰减探头信号噪声明显偏大，另外如果示波器本身的垂直刻度最小可设置为 1mV/Div，那么采用 10:1 探头则垂直刻度会自动设置为 10mV/Div，如果想测试 10mV 级别的纹波或噪声显然精度是无法保证的，而采用 1:1 探头时垂直刻度则依然可以最小设置到 1mV/Div。

10:1 与 1:1 探头的差异

下面是关于一个电源噪声分析的案例：

现象：在电路中，在IC的电源引脚处经常会使用磁珠与板卡上面的其他电源隔离，还能达到抑制高频噪声，减小电源纹波的目的；但有的电路里面的电源器件串接磁珠反而会增加电源纹波，即出现电源后端的噪声明显要大于磁珠前段的噪声。    

理想模型分析：

在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小 但是，这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。

一般磁珠的参数会标称高频的电阻值，但往往大家只关注这个参数，而忽略其低频的电感值。

所以，这个电路中，我们理想的模型是一个RC滤波电路：    

    

我们希望我们的滤波电路，能够把高频部分滤掉。

假设我们有一个标称100欧姆的磁珠，就表示这个磁珠在100MHz时的电阻为100欧，在直流时为0欧，所以可以建立以下是用于快速理解的磁珠模型：

   

可见，在直流时，L将R短路，因此磁珠就表现为0欧。而当高频的噪声通过时，L近似为无穷大，因此磁珠就表现为一个100欧的电阻。但是从实际测试的效果来看，并不是如我们所愿。

实际模型分析：

铁氧体可以等效为一个电感与电阻并联，在低频与高频时分别呈现不同的特性。

磁珠在低频段，阻抗由电感的感抗构成，低频时R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制，并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高Q特性的电感，这种电感容易造成谐振因此在低频段，有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

如果我们的负载又比较小的时候，整个电路就是一个LC电路。下图为磁珠的阻抗曲线。    

如果我们选择的电容，和磁珠正好是以下这种情况。并且开关电源的开关频率又在谐振频率附近。那么就出现了“谐振”，也就是输入信号，在这个频点被放大。

  那么我们就需要把这个谐振点降低频率，远离开关频率。让电源纹波在这个滤波电路的衰减区。这就需要增加电容的容值。

有的朋友经过计算，觉得自己的电路谐振点应该是小于开关频率的，但是实际测试，还是比预想的频率要大。这是为什么呢？

直流电压值变大了，电容值变小（耐压范围以内）  

          

在给出的多种电容类型中，最常用的是X5R、X7R。所有的型号在环境条件变化时都会出现电容值变化。尤其Y5V在整个环境条件区间内，会表现出极大的电容量变化。

当电容公司开发产品时，他们会通过选择材料的特性，使电容能够在规定的温度区间，工作在确定的变化范围内。

当我们在电容两端加上电压时，我们发现电压就会导致电容值的变化（在耐压范围以内）。电容随着设置条件的变化量是如此之大。我选择的是一只工作在12V偏压下的耐压16V电容。数据表显示，4.7-μF电容在这些条件下通常只提供1.5μF的容量。    

  我们可以看到，不同的型号，不同的耐压，不同的封装的电容，随着电压上升的下降趋势。

审核编辑：黄飞