巧用示波器頻域分析方法解析電源噪聲

電源噪聲是電磁干擾的一種厨杆，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz~30MHz硅蹦，高的可達(dá)150MHz剑鞍。電源噪聲怜浅，特別是瞬態(tài)噪聲干擾铐然，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短恶座、電壓振幅度高搀暑、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾跨琳。

 示波器頻域分析在電源調(diào)試的應(yīng)用

       本文談到這么多年來受關(guān)注的電源噪聲測量問題自点，有實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有實(shí)測案例佐證脉让，有仿真分析相結(jié)合桂敛。
       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量其幅值溅潜，據(jù)此判斷電源噪聲的來源术唬。但是隨著數(shù)字器件的電壓逐步降低、電流逐步升高墅瑟，電源設(shè)計(jì)難度增大避扎，需要使用更加有效的測試手段來評(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)案例枪素，在觀察時(shí)域波形無法定位故障時(shí)咬跷，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)行分析芹倔。電路調(diào)試時(shí)惑叶，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)程袁虽。

       在單板調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電源噪聲達(dá)到80mv旭绝，已經(jīng)超過器件要求，為了保證器件能夠穩(wěn)定工作必須降低該電源噪聲坠髓。
       在調(diào)試該故障前先回顧下電源噪聲抑制的原理桨皂。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抑制噪聲都敛，去耦元件包含電源調(diào)整模塊（VRM）衰屡、去耦電容、PCB電源地平面對(duì)周蹭、器件封裝和芯片趋艘。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）凶朗，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瓷胧。去耦電容要使用多個(gè)數(shù)量級(jí)容值的電容配合使用显拳，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搓萧，即時(shí)大量堆砌去耦電容也難以在更高頻起到作用杂数。PCB電源地平面對(duì)形成了一個(gè)平板電容，也具有去耦作用瘸洛，大約作用在數(shù)十兆揍移。芯片封裝和芯片負(fù)責(zé)高頻段（100M以上），目前的器件一般會(huì)在封裝上增加去耦電容反肋，此時(shí)PCB上的去耦范圍可以降低到數(shù)十兆甚至幾兆那伐。因此，在電流負(fù)載不變的情況下石蔗，我們只要判斷出電壓噪聲出現(xiàn)在哪個(gè)頻段太汹，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)配合作用方较，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)納入考慮窗项。

 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衷求，增加電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗余量帮声，保證在中頻段的電源網(wǎng)絡(luò)阻抗都能滿足該應(yīng)用場景的需求。結(jié)果紋波僅降低幾mV搞督，改善微乎其微专散。產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果有幾個(gè)可能：1、噪聲處在低頻胚搂，并不在這些去耦電容起作用的范圍內(nèi)喉隙；2、增加電容影響了電源調(diào)節(jié)器VRM的環(huán)路特征脐炼，電容帶來的阻抗降低與VRM的惡化抵消了畏帖。帶著這個(gè)疑問，我們考慮使用示波器的頻域分析功能來查看電源噪聲的頻譜特性丁恭，定位問題根源曹动。

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)的無限疊加牲览。我們分析這些正弦波的頻率墓陈、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第献。數(shù)字示波器采樣到的序列是離散序列贡必，所以我們?cè)诜治鲋谐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)仔拟，并且需要運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)越多衫樊，運(yùn)算量節(jié)約越大。
       示波器捕獲的噪聲波形進(jìn)行FFT變換理逊，有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意橡伞。
       1盒揉、根據(jù)耐奎斯特抽樣定律晋被，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刚盈，則FFT之后的頻譜展寬多是500MHz彪趣；
       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)蓄梯，如果采樣時(shí)間為10mS拌微，則對(duì)應(yīng)的頻率分辨率為100Hz；
       3游推、頻譜泄漏殊储，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胳雁。避免頻譜泄漏可以盡量采集速率與信號(hào)頻率同步瘤慕，延長采集信號(hào)時(shí)間及使用適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)。
電源噪聲測量時(shí)不要求較高的采樣率康逝，所以可以設(shè)置很長的時(shí)基鹰柄，這也意味著采集的信號(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)間跨度菲恢，此時(shí)不需要添加窗函數(shù)擎融。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zoom功能查看感興趣的頻點(diǎn)锁孟。如下圖中電源噪聲的主要能量集中在11.3KHz左右彬祖，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品抽，電容在該頻點(diǎn)的阻抗也比較高涧至，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桑包。
       一般來說南蓬，11.3KHz應(yīng)該是VRM的管轄范圍，此處出現(xiàn)較大噪聲說明VRM電路設(shè)計(jì)不能滿足要求哑了。這里對(duì)VRM的性能進(jìn)行分析赘方，VRM分析的方法眾多，此處主要采用仿真其反饋環(huán)路波特圖的手段弱左。波特圖主要觀察幾個(gè)關(guān)鍵信息：1窄陡、穿越頻率炕淮，增益曲線穿越0dB線的頻率點(diǎn)；2跳夭、相位裕度涂圆，相位曲線在穿越頻率處所對(duì)應(yīng)的相位值；3湃儒、增益裕度还纤，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)氯摆。從VRM的環(huán)路波特圖（如下圖a）可以看到埠邻，VRM的穿越頻率在8KHz左右，相位裕度37度峡冻。這里存在兩個(gè)問題：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)定工作苞惰，這里相位裕度稍小一些，需要增加相位裕度最奸；其次穿越頻率太低咕诊，穿越頻率附近VRM的調(diào)整作用逐漸降低，而此頻點(diǎn)bulk電容還起不到作用拜殊，所以在8KHz附近會(huì)存在較高的阻抗焚卖，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)路之后的波特圖劫扶，調(diào)整相位裕度到50度翠霍，穿越頻率推到46KHz左右。

       對(duì)優(yōu)化后的VRM驗(yàn)證紋波蠢莺，可以看到紋波明顯降低到33mv寒匙，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題的過程躏将，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)揮很大作用锄弱。示波器的FFT功能配合長存儲(chǔ)深度可以很方便地分析低頻率長周期信號(hào)，這個(gè)優(yōu)勢在數(shù)字電路調(diào)試中比較突出祸憋。