电源噪声测试的陷阱

作者:David Maliniak

当前的电路和系统使用1.2V甚至更低的供电电压运行,即使电压的微小变化也会产生误码、抖动、错误切换以及与瞬态相关的问题,让我们难以解决。

配电网(PDN)的噪声测量已经成为调试和排查系统设计问题的焦点,但是,确定PDN完整性的过程并非没有“陷阱”。在本文中,我们将介绍PDN测量和探测中导致错误测试结果的一些挑战,以及如何克服它们。

小心RF干扰

来自EMI/RFI的干扰噪声是其中的一个挑战,即使是对1.5V电池的电压测量,这种干扰也是显而易见的,考虑到电池内部的电化学反应和由于探测引起的一点电流消耗,我们可以预见到电压波形上会有适量的噪声。

我们尝试将电池放入支架并探测其两端的端子,示波器屏幕上出现的噪声让我们感到惊讶。图1中顶部波形是电池电压波形(粉红色,通道2),底部波形(黄色,通道1)显示的是作为参考的示波器的基底噪声,两个波形使用相同的垂直刻度,电池电压波形显示出其上存在很高噪声,远远超出预期,电压平均值为1.56V,噪声为33mVPK-PK

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图1:1.5V电池的初始测量结果显示出噪声(上部波形)和示波器的本底噪声(下部波形),显然,外部噪声已进入测量系统。

可以看到噪声是宽频带的,达到示波器的全带宽(在此为1GHz),都没有衰减的迹象。

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图2:电池电压测量的频谱图显示其是宽频带的(上部曲线),下部曲线显示在前100MHz中的特定频率处具有峰值。

图2中下部波形显示了噪声频谱的前100MHz的放大图,它显示出明显的噪声峰值,奇怪的是,它几乎从15MHz开始,接着是30MHz,45MHz,依此类推,这无疑是来自外部的RF噪声。

因此,明显的补救措施是适当地屏蔽电池(图3),确保屏蔽连接到探头的返回路径。

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图3:在探头周围做屏蔽,即使是粗糙的屏蔽,也可以降低RF噪声。

增加屏蔽的差异很明显,在图4的下部曲线是屏蔽后的频谱图,噪声从大约-60dBm减小到-100dBm,相当于减少了4倍,幅度等效约为45nV。

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图4:通过屏蔽探头,与图3相比,示波器显示噪声降低。

最后我们做最终的完整检查,将适当屏蔽的电池噪声与示波器的基底噪声进行比较(图5)。示波器基底噪声在通道1(黄色,下部波形)和电池噪声在通道2(粉红色,上部波形)上,它们几乎是相同的。

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图5:当电池屏蔽EMI/RFI时,示波器基底噪声(黄色)和屏蔽的电池噪声(粉红色)几乎完全相同。

因此,除了屏蔽良好的同轴电缆连接以外,使用任何其他方式探测低电平信号,都会受到干扰,任何与DUT屏蔽分开的裸露导体都会像天线一样。

EMI-RFI干扰通常具有宽频带性质,为了最大限度地减少这方面的影响,探头前端应尽可能地设计为类似同轴电缆,该前端中的任何电感都会降低测量带宽,并可能导致测量中出现振铃。更糟糕的是,将获得“天线效应”并且探头将拾取EMI/RFI干扰。因此,确保示波器和DUT之间的连接看起来尽可能像同轴连接。

在测试设计方面,如果可以以微型同轴连接器的形式在测试板上添加测试点,然后将同轴电缆连接到这些点,那么将大大减少EMI/RFI影响电源测量的可能性。

了解你的10X探头

正如上面所展示的那样,EMI/RFI可能会对电源噪声测量造成严重破坏,在相同的情况下,我们也应始终注意示波器探头的某些特性,即10X衰减探头,通常新示波器都标配这种探头,当使用10X衰减探头而不是带微夹钳前端的BNC探头时,我们会得到什么样的测量结果?

图6显示了两种状况拾取的噪声,在探头前端打开的情况下,探头对电场更敏感,10X探头测量到72mVPK-PK和11mVRMS,而同轴探头测量到36mVPK-PK和4.2mVRMS。

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图6:使用10X衰减探头(上部)和BNC探头(底部)捕获的信号波形显示不同的噪声水平。

图7显示的是与图6相同的测量,但是探头前端短接在一起,在这种情况下,探头对磁场更敏感。然而,将两条波形的噪声分量再次对比分析,这次,10X探头测得33mVPK-PK和1.6mVRMS,同轴电缆探头测得24mVPK-PK和1.2mVRMS

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图7:使用和图6同样的探头和信号,但是将探头前端短接,对磁场更敏感。

我们知道这些测量中的噪声是EMI/RFI,解决RF拾取问题的方法是从DUT到示波器外壳的适当屏蔽。

图8显示了应用适当屏蔽并在探头前端短路的情况下进行测量的结果,正如所期望的那样,就像在EMI/RFI实验中一样,BNC探头的信号几乎没有噪声。

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图8:使用和图7同样的探头和信号,但应用适当的屏蔽显著降低EMI/RFI。

10X衰减探头发生了什么?请记住,这些波形以相同的10mV/div刻度显示(参见提示)。但10X探头的噪声是BNC探头噪声的10倍,原因是两个探头在示波器的放大器中看到相同的噪声,但在10X探头前端反射了10倍。

这些例子表明,当使用任何类型的10X衰减探头在示波器的本底噪声处采集低电平信号时,已经有效地放弃了10倍的信号,并且具有相同的噪声量,可以预期信噪比(SNR)会降低20dB。

带宽vs.电流负载

测量电源噪声时,另一个棘手的问题是:如何在测量中实现高带宽,同时最大限度地降低DUT上的电流负载,鉴于DUT是电源,不希望从它汲取太多电流。但是这两个测量要求是相互矛盾的,它与互连信号的基本特性有关。

假设探头上有一根同轴电缆,示波器的输入阻抗为1MΩ,正在探测低阻抗的电源,从该电源发射到探头的任何瞬变,则会遇到1MΩ输入阻抗并反射回来,从而引发振铃(图9)。

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图9:在低阻抗电源轨和1MΩ输入阻抗之间连接6英寸同轴电缆会在信号采集时产生反射和振铃伪影。

将看到多少振铃取决于相对于示波器带宽的同轴线缆的长度,如果想将振铃频率推高到超过1GHz示波器的带宽限制,则同轴电缆需要小于3英寸,太长的线缆是相当不切实际的,任何超过这个长度的线缆,当使用仪器的全带宽时,那么将在仪器显示屏上看到振铃误差。

为了更加实用,需要更长的同轴电缆,只要示波器的1MΩ输入阻抗与电源DUT的阻抗之间存在阻抗不匹配,就会产生反射和振铃。因此,要想不产生振铃误差,你可以获得的最高带宽可能低于预期。

可以通过在示波器上使用50Ω输入端接来避免振铃问题,这种端接设计用于最小化电缆反射。

但这里有一个矛盾:如果在示波器上使用50Ω输入端接,则在电源上将包含50Ω负载。如果测量5V电压轨,这是示波器中的50Ω电阻可以承受的最高电压,它将消耗100mA,如果电源提供100A,这不是问题,但如果它是LDO,最大电流为200mA,示波器将消耗一半的裕量。

另一种选择是使用10X衰减探头,它有一个1MΩ的示波器输入,因此不会使电源负载过大。如上所述,10X探头将失去20dB的SNR。一些工程师在探头前端使用450Ω串联电阻来制作“手工”的10X探头,负载是500Ω,同轴电缆仍然有50Ω终端,所以他们都很高兴。但同样,已经引入了10倍衰减,并且由于阻抗匹配牺牲了SNR。

使用同轴探针可以测量高带宽,但为此,需要50Ω的负载,但这会使电源负载过大,并基本上阻止我们探测超过5V的电源。通常,测试和测量都会涉及妥协,在某种程度上,每种测量方案都将决定如何平衡这些妥协以获得最有意义的结果。

克服这些挑战的方法是使用有源探头,有源电源轨探头在低频时具有高阻抗,因此它们不会使电源轨负载过大,而在50Ω示波器输入终端电阻中引入一个带有隔直电容的并联高通滤波器。此外,有源电源轨探头通常可以承受高达30V的电压,并且能够产生大的偏移。

有源电源轨探头是满足探测电源独特挑战的最佳折衷方案。

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