电源噪声测量的挑战及解决之道

当今的计算机、PAD、手机、通信系统设备等电子产品，处理速度越来越快，运算能力越来越强，其电源的设计也越来越复杂。进入21世纪后，芯片的制作工艺由0.18um逐步升级到了95nm、65nm、45nm，晶体管的集成度更高、主频更高、供电电压更低，这给产品的电路设计与调试带来了更大的挑战。在90年代，芯片的供电通常是5V和3.3V，使用CMOS或TTL电平，而现在，很多数字电路芯片的核心电压以及IO电平都小于3.3V，以最常用的内存芯片为例，最古老的SDR SDRAM供电电压为3.3V，DDR SDRAM为2.5V，DDR2为1.8V，DDR3为1.5V，而最新的DDR4的供电电压为1.2V，其VREF只有0.6V。这些电路的供电电压越来越小，对电源噪声的要求也更加严格，如何设计低噪声的电源、并且准确测量其电源噪声非常关键，本文将从电源完整性(Power Integrity，简称PI)的角度，简要分析电源噪声测试中可能遇到的问题和相应的解决方法。

电源噪声与PDN

在通信、计算机产品中，不论是CPU、GPU、FPGA、DDR3，其芯片内部都有成千上万的晶体管，芯片内不同功能的电路有不同电源，比如核心电路的电源VCore、输入输出缓冲(IO Buffer)的电源、内部时钟或PLL的电源等等，这些电源都来自于单板的上直流稳压电源模块。

下图1为某芯片的电源分布网络(Power Distribution Network，简称PDN)示意图，芯片的供电环路从稳压模块VRM(Voltage Regulator Module)开始，经过PCB上电源地网络、芯片的ball引脚、芯片封装的电源地网络，最后到达IC上的硅片。

当芯片上各种功能电路同时工作时，稳压电源模块VRM无法实时响应负载对于电流需求的快速变化，芯片上的电源电压发生跌落，从而产生电源噪声，为了保证输出电压的稳定，需要在封装、PCB上使用去耦电容和合理的电源平面与地平面对。从目前电源完整性分析的角度看，业内普遍认为在PCB上可以处理到几百兆赫兹PI问题，更高频率的电源完整性问题需要在芯片和封装设计时解决。原因在于：

l，在板级PI设计时，需使用容值较小、等效串联电感(ESL)较小的陶瓷电容来去耦，比如0603封装的0.1uf、10nf电容，但是电容的PWR/GND布线、过孔带来的寄生电感会增大电感，使去耦电容的有效工作频率降低，很难超越几百MHz;

2，即使板级PI设计能解决GHZ的PI问题，电源的电流还需经过芯片焊接到PCB的ball、封装上的电源/地平面，到达用电的晶体管还有较长的距离，效果不大。PI设计时把高于几百MHz的去耦放到了芯片和封装上，PCB上解决kHz – 几百MHz的去耦问题。

因此，对于板级的电源噪声测试，使用带宽500M以上的示波器足够了。由于篇幅有限，关于芯片级PI和板级PI设计、去耦电容选择等，建议查阅电源完整性书籍。

电源噪声(Power Noise)与电源纹波(Power Ripple)

电源噪声与纹波是工程师经常遇到且容易混淆的两个概念，尽管是非常普及的测试项目，但是还没有国际协会和标准组织定义如何测量DC电源的电源纹波和噪声。如下图2所示为直流电源输出部位测量到的纹波和噪声示意图，蓝色波形为纹波，红色波形为噪声，通常纹波的频率为开关频率的基波和谐波，而噪声的频率成分高于纹波，是由板上芯片高速I/O的开关切换产生的瞬态电流、供电网络的寄生电感、电源平面和地平面之间的电磁场辐射等多种因素产生的。近年来，业界已逐渐统一认识，认为在PDN的source端(VRM)测量的是电源输出的纹波，而在sink端(芯片)测量的是电源噪声。

对于电源纹波的测量，业界常用示波器限制20M带宽后，测量的DC电源输出的波形峰峰值即为电源纹波。建议在以下几种情况时测量电源纹波(带宽限定为20MHz)：

1，电源芯片厂商的数据手册规定时

2，测量AC-DC电源时，比如ATX电源的输出

3，测量稳压电源模块输出时

4，测量直流参数时，或板上电路工作速率很低时

从PI的角度来看，无论是线性LDO电源、还是开关电源，都只能提供低频段(kHz-MHz)的稳定电源输出，电源的高频部分是依靠PCB、封装以及芯片内具有快速充电、放电功能的电容来实现的。当板上芯片工作速率在几十MHz以上时，必须测量电源噪声，探测点尽量要靠近待测试芯片的电源引脚。

电源噪声测量的几大挑战

由于低电压电源的噪声要求越来越严格，比如JEDEC规范中规定了DDR3的VREF的电源噪声在+/-1%VDD以内(如上图2)，1.5V x 1% = 15mV，即电源噪声的峰峰值不大于30mV;而Xilinx的Virtex-7 FPGA要求电源供电在10kHz-80MHz范围内电压变化峰峰值不超过10mV。测量这类噪声较小的电源非常具有挑战，而以下几点会影响到电源噪声测量的准确性：

1，示波器的底噪和量化误差

2，使用衰减因