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為了覆蓋不同直流電源紋波性能測試的需求，研究了各類電壓紋波測量方法和測量系統(tǒng)。每套測量方法都基于測量儀器的性能和實測驗證結果，簡要地總結和比較了各種測量方法和設備的優(yōu)劣勢，便于測量人員根據不同的測試條件選擇最優(yōu)的測試方案。

 

隨著科技的不斷發(fā)展，電子產品的性能逐步提高，工程師設計電子產品時，對于超低功耗（Ultra-Low Power）以及超高數據速率的極致追求，延續(xù)了直流電源輸出電壓越來越低和精度要求越來越高的趨勢。

 

這種趨勢讓電源設計面臨嚴峻挑戰(zhàn)，絕大多數電子產品設計工程師都需要考慮信號的完整性問題。開關電源中濾波電路的缺陷以及開關管道通斷產生的高頻噪聲，不僅會引起紋波噪聲，而且有可能引發(fā)干擾和故障。在數字電路中，直流電源的噪聲也會是系統(tǒng)時鐘和數據抖動的重要貢獻者。因此，準確測量直流電源的紋波噪聲，將會對電源設計工程師更高的基本要求。

 

首先我們要了解電源的基本知識

 

什么是紋波？

 

開關電源的輸出并不是真正恒定的，輸出存在著周期性的抖動，這些抖動看上去就和水紋一樣，稱為紋波。紋波可以是電壓波紋或電流紋波。

 

電源紋波

 

低頻紋波：來自AC輸入的周期，電源對輸入的抑制比不是完美的，當輸入變化，輸出也會變化。

 

高頻紋波：來自開關切換的周期，開關電源不是線性連續(xù)輸出能量，而是將能量組成一個個包來傳輸，因此會存在和開關周期相對應的紋波。

紋波是由于AC周期或開關周期引起的輸出抖動，而噪聲是隨機耦合到 輸出上的高頻信號，是不一樣的。

 

 

由于紋波的影響，使得輸出的峰值比平均值高，這可能會損壞負載。

 

什么是電源紋波？

 

電源紋波指標是開關電源模塊或者 DC/DC 的一項很重要的參數。電源紋波可以理解為電源模塊包括 VRM 的輸出電壓的波動，和復雜的供電網絡無關，或者說是電源輸出的源端的電壓的波動。

 

電源噪聲則是指電源模塊工作在實際產品系統(tǒng)中，經過供電分布網絡將電源能量輸送到芯片管腳處，在芯片管腳處的電壓的波動，或者簡單說是電源輸出的末端的電壓的波動。電源噪聲從輸出端經過供電網路  (PDN)  傳輸后到芯片管腳除了電源本身的紋波之外可能增加或者耦合進了其它電路部件的干擾比如時鐘的串擾，以及電路本身工作過程中帶來的其他噪聲，典型的比如DDR  總線工作時的 SSN 噪聲 ( Simultaneous Switching Noise ) 或者地彈 ( Ground Bounce )  等。

 

通常電源紋波頻率由 MOSFET 切換頻率決定，在幾百 KHz 到 MHz 級別，時鐘串擾帶來的電源噪聲頻率則在幾十 MHz 到百MHz 左右，而 SSN 噪聲則與總線或者信號傳輸的切換頻率有關，最高可能達 GHz 級別，比如 DDR4 總線切換頻率可能達 2 GHz 左右。因此可見電源紋波通常在低頻段，而電源噪聲則要考慮到更高頻段。

 

干凈的電源是數字電路穩(wěn)定工作的前提，為確保電源供應的質量，必須對電源的紋波和噪聲進行測量。傳統(tǒng)上，工程師通常只是對電源紋波進行測量而忽視電源噪聲的測量。而隨著近幾年電路集成規(guī)模和信號頻率的日益提高以及對低功耗的追逐，導致信號環(huán)境日趨復雜，同時信號幅度和電源供電幅度均大幅下降，相應地對電源紋波和噪聲的要求日益提高。

 

以 DDR4 規(guī)范 JESD79-4A 為例，VDDQ_DC 值僅為 1.2V，而 DQVref 相關參數值均有嚴格的范圍：

表 1. DDR4 標準中 DQ 內部 Vref 規(guī)范表

 

紋波噪聲的危害和抑制

 

紋波是一種復雜的雜波信號，它是圍繞著輸出的直流電壓來回波動的信號，周期和振幅隨著時間不斷變化，并且不同電源的紋波也各不相同。但是一般來說紋波是有百害而無一利的。電源中攜帶的紋波會在電器上產生諧波，降低電源的使用效率。而高頻紋波噪聲還可能產生浪涌，導致電氣設備非正常運行，加速設備老化。在數字電路中，紋波會干擾電路的邏輯關系，給通信、測試和計量帶來噪聲干擾，影響信號的正常測量，甚至損壞設備。

 

事實上，近年來隨著高速串行信號速率發(fā)展到幾十個 Gbps，電源完整性的重要性正在日益凸顯。電源紋波和噪聲的干擾是影響高速數字串行總線傳輸質量的主要因素之一，電源紋波和噪聲的測試是電源完整性的一個重要方面。

 

直流電源的電壓紋波測量

 

電源輸出電壓攜帶紋波噪聲是不可避免的，而紋波噪聲的危害又是很大的，因此電源制造商，都要考慮將紋波降低到百分之幾以下，對紋波要求高的設備要考慮把紋波降低到更小。除了電源設計的時候要降低紋波噪聲之外，紋波對于評估電源性能也是一個重要的指標，因此在電源測試計量領域，如何測量電源紋波是一直在探索和討論的課題。

 

1. 單端示波器的紋波測量方法

對于紋波指標要求不高的低壓電源，示波器直接測量就可以滿足要求。通常采用單端示波器測量方法。為了避免地環(huán)流在示波器輸入端引入誤差，連接線路采用單端接地，即電源端不接地，示波器端接地，   如圖-1，連線圖僅為紋波測量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負載，設置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

 

 

圖-1 單端示波器測量紋波電路連接圖

 

一般示波器的輸入電壓范圍在40V以內，鑒于示波器的輸入電壓范圍，一般在直流電源和示波器之間會增加RC模塊，同時設置示波器輸入阻抗為1 M  Ω，以保護示波器不被過高的直流電壓損壞。示波器設置交流耦合方式，濾除被測信號的直流分量，示波器僅觀察被測信號的交流分量，同時示波器選擇更小的垂直檔位，可以觀察電源紋波的細節(jié)，示波器上可以直接讀取紋波的峰峰值和有效值。

 

2. 帶差分放大器的示波器測量方法

 

對于紋波指標要求高的直流電源，示波器的垂直分辨率不夠或者測量精度不高，示波器直接測量的方法就無法滿足指標的要求了，一般會選擇對被測的紋波信號進行放大測量的方法，以提高測量準確度。例如在示波器與直流電源之間加入差分放大器，一方面可以隔斷直流分量，另一方面可以放大測量的紋波信號，提高測量準確度，如圖-2，連線圖僅為紋波測量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負載，設置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

 

圖-2 帶差分放大器的測量紋波電路連接圖

 

因為差分放大器的設置，有可能限制輸入共模信號的電壓范圍，為了防止高電壓損壞儀器，可以在前端加RC濾波電路，并且設置差分放大器為AC耦合模式。

 

示波器上的讀數值需要乘以差分放大器的有效增益，得到直流電源的紋波峰峰值和有效值。

 

3. 帶差分傳感器的波形分析儀測量方法

 

除了通用的示波器測量電源紋波以外，我們研究了低噪聲波形信號分析儀的測量方法。使用Keysight CX3322A 波形分析儀和Keysight CX1105A 電流/電壓低噪聲差分傳感器，也可以實現直流電源的電壓紋波測量。線路連接圖如圖-3。連線圖僅為紋波測量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負載，設置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

 

圖-3波形分析儀紋波測量線路圖

 

這也是一種差分測量方法，并且測量系統(tǒng)引入的底噪非常低。根據測量儀器的指標手冊，當選擇20 MHz  帶寬限制的時候，25 mV 量程的底噪有效值只有20  μV，它只有示波器的十分之一，并且測量系統(tǒng)具有比較好的平坦度。因此，這也是非常理想的直流電源紋波測量方案。

 

只是CX1105A 電流/電壓低噪聲差分傳感器的共模直流電壓范圍很窄，只有5~6   V，因此需要在差分傳感器前端加上RC濾波電路，一方面可以阻斷直流共模電壓，保護差分傳感器不被高壓損壞，另一方面匹配合適的電阻，降低差分傳感器前端的輸入阻抗，可以有效地降低交流共模噪聲。波形分析儀上的讀數即為測量紋波的峰峰值和有效值。

 

4. 高壓直流電源的紋波測量方法

 

以上三種測量方案只適用于200V以下的直流電源，但是目前高壓直流電源越來越多，如何測量高壓紋波也越來越受到關注。

 

1）帶無源高壓探頭的示波器測量方法

 

這是最常用的高壓信號的測量方法，選擇與示波器匹配的無源高壓探頭，例如Keysight  10073C 10:1 探頭和10076C  100:1探頭。示波器可以根據連接的探頭，進行自動修正，示波器上讀取的數據即為測量紋波的峰峰值和有效值。在測量開始之前，高壓探頭一定要做低頻補償，保證測量準確度。

 

雖然衰減比率越大，輸入電壓就可以越高，比如10073C  最高輸入電壓可以到500 V峰值，而10076C 可以到2000 Vpk  以上，但是衰減比率越大，探頭輸入端的靈敏度越高，示波器底噪被放大得越大。因此，對于紋波要求不高的500  V峰值以上的高壓測量，可以使用10076C 100:1 探頭進行測量，500V峰值以下的高壓測量，盡量選擇10073C 10:1探頭進行測量。

 

2）優(yōu)化的帶高壓探頭的示波器測量方法

 

對于紋波要求高的高壓測量，可以增加差分放大器，來提高測量精度，抑制測量系統(tǒng)的底噪。如圖-4。

 

圖-4帶差分放大器的高壓紋波測量線路圖

 

可以根據直流電壓大小和測量紋波的指標，選擇10:1 或者 100:1探頭，不管選擇哪一種探頭，測量系統(tǒng)的底噪性能都比直接接示波器要好很多。測量系統(tǒng)的平坦度在20 MHz被測頻率范圍低于5%。優(yōu)化的高壓紋波測量方案非常適用于高電壓高精度的紋波測量。

 

總結

 

對于文章中列出的集中直流電壓紋波測量方案，各有優(yōu)勢和不足，并不能說哪一種是絕對完美的方案，每一種方案都有不同的測量條件和適用范圍。因此，測量人員可以根據測量范圍和精度要求，選擇一種最簡單和適用的測量方案。