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力科示波器基础应用系列之十 --- 电源噪声探测

时间:02-06 来源:互联网 点击:
在板级的电源噪声测试时,选择准确的探测方案是非常关键的,在笔者的《电源噪声测量的挑战及解决之道》中,详细的介绍了电源纹波、电源噪声、电源配送网络(Power Distribution Network,简称PDN)的相关概念以及推荐的电源噪声测试方案,读者也可参考PI牛人Istvan Novak的这篇文章(见参考文献一),他推荐在板级测量PDN噪声的最佳方案也是用1:1的无源50欧传输线探头,在文中,使用了三种方案测量主板上CPU的电源噪声,最佳的方案还是1倍衰减的无源50欧传输线探头,如图1所示。

使用无源的50欧传输线探头时,示波器的通道设为DC50欧;由于是在板级测量电源噪声,使用带宽500MHz以上的示波器即可;采样率为2.5GSa/s,可以实现1.25G的奈奎斯特带宽;示波器时基设为1ms/div,可以一次捕获10ms时长的信号,完整的测量1个工频周期内的噪声(交流电50Hz通过AC-DC-DC转换后,整流与稳压后为100Hz,其周期为10ms),此时,示波器的存储深度为25Mpts。

无源50欧传输线探头
在电源噪声测试时,探测点通常为靠近IC的电源和地焊盘,比如IC附近的去耦电容的两个pin。一种方法是直接焊接同轴电缆到POWER和GND的焊盘上测试电源噪声,这是一种低成本的方案,缺点是每测量一次都需要重新焊接,效率较低;

另一种替代的方案是使用定制的无源传输线探头。如图2所示为和创定制的无源传输线探头,其探针可直接点测0603电容的两端,测量电源噪声非常方便快捷。该探头有直流耦合和交流耦合两种选择,如果使用的示波器必须隔直后测量电源噪声,可以使用后者。

对于低电压电源的噪声测试,以下为各种测试方案,排前面的为优选的测试方案。

1. 低噪声12位ADC示波器(比如HDO4000) + 1倍衰减无源传输线探头

2. 常规8位ADC示波器 + 1倍衰减无源传输线探头

3. 常规8位ADC示波器 + 隔直电容 + 1倍衰减无源传输线探头

使用方案3的原因是:由于部分实时示波器的垂直刻度为5mV/div时,偏置电压在1V以内,无法测量高于1V的电源噪声,所以,需要使用隔直电容隔离电源噪声的直流成份后再测量。这种测试方法的缺点为隔直电容可能会影响测试结果,选择不同的电容可能有不同的测试结果,接下来将分析不同隔直电容时的噪声测试结果,供读者参考。

从电路理论来分析,在图3中的隔直电容与示波器的50欧电阻组成的电路是一个带通滤波器,在低频时,可忽略电容的等效串联电感ESL,隔直电容与示波器通道的50欧电阻组成RC电路,其低频的3dB截至频率为,随着频率升高,电容的ESL以及探头中的寄生电感的影响越来越大,电感的感抗随着频率增加而增大,其高频的3dB截至频率跟探头和电容的寄生电感相关,接下来我们使用SPICE软件来仿真三种不同隔直电容时的频响曲线。

下表1为Murata的三种陶瓷电容的等效串联电阻ESR和等效串联电感ESL,为了便于分析问题,在仿真和计算过程中做了一些简化,没有考虑在不同DC BIAS电压时电容容值的变化,也没有考虑探测部位、表贴电容引入的寄生电感,使用HSPICE仿真频响曲线结果如下图4所示:


图4中,X轴为频率的对数坐标,Y轴为幅度,黄色、红色、灰色依次为100uf、1uf、10nf电容时电路的频响曲线,容值越大,电路低频截至频率越低,图4中3个marker为3根曲线的3dB低频截至频率点。可见,100uf的低频截至频率为31.7Hz,1uf电容的低频截至频率为3.17KHz,10nf电容的低频截至频率约为318KHz。如果没有仿真软件,也可以通过公式直接计算,如下计算了100uf电容的低频截至频率,与仿真结果完全一致。

由于开关电源噪声在几百KHz,因此,建议使用1uf以上的隔直电容。

在上面的电路仿真与计算时,为了简化电路的计算与分析,忽略了如下因素:
1. 从DUT的探测点到示波器通道的50欧同轴电缆
2. 探针、表贴电容引入的寄生电感
3. 陶瓷电容在不同DC偏置电压时容值会变化

针对以上3因素的解释为:
1. 测试所用电缆的长度通常在0.5米以上,目前常用的这类电缆带宽都在1G以上,通过仿真分析,对上述电路频响影响有限,只会在频响曲线中高于几百MHz的频段产生幅度较小的振荡;

2. 寄生电感增大时会降低高频截至频率,图4中频率响应右边的滚降曲线会向低频方向移动;

3. 容值较大的电容在有DC电压偏置时,容值变化较大,比如上面的Murata的100uf电容(1210/X5R/6.3V),加1.5V偏置电压时,容值只有53uf,几乎少了一半,因此,测量电源噪声时,需要核对所用隔直电容的相关参数

总结:对于低电压电源噪声测试,最理想的测试方法时使用低噪声的示波器加50欧的无源传输线探头,如果所用示波器必须加隔直电容时,需选择合

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