最全的电源完整性测试白皮书：第一章 电源完整性时域分析之示波器（附下载）

第一章   电源完整性时域分析之示波器

第二章   电源完整性时域分析之测试探头

第三章   电源完整性频域分析之网络分析仪

第四章   电源完整性仿真域之仿真软件

第五章   电源完整性激励域测试之码型发生器

第六章   电源完整性测试之直流瞬态电压及纹波噪声模拟

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简介

电源完整性，是指电源分配网络的电压和电流经过直流转换器、芯片、板卡和系统后，是否仍然符合要求。以笔记本电脑为例，AC 到 DC 电源适配器供给计算机主板的是一个约 16V 的直流电源，主板上的电源分配网络要把这个 16V 直流电源变成各种电压的直流电源（如 ：±5V，+1.5V，+1.8V，+1.2V 等），给 CPU 供电，给各个芯片供电。CPU 和 IC 是动态耗电的，瞬时电流可能很大，大到几十甚至 100 多安培，也可能很小，小到低于 1mA， 但无论电流如何变化，电压必须平稳（即纹波和噪声必须较小），以保持 CPU 和 IC 的正常工作，这对电源分配网络的设计提出了苛刻的要求。我们常见的电脑蓝屏现象，往往和电源完整性密切相关。

电源完整性，以前隶属于信号完整性分析专题，但是因为它足够复杂和关键，现在已经把其单独拿出来作为一个专题去研究。从测试和仿真的角度看，电源完整性和信号完整性是密不可分，相互关联的，只不过侧重有所不同。

不同的工程师日常所用的测试和验证手段各不同的，对问题解读和测试结果分析上也有差异，但总的来讲，如上图所示，有些工程师局限于电压纹波测试，有些局限于使用网络分析仪，也有一部分工程师使用专用的波特图测试仪，近年来，越来越多的工程师使用内置任意波发生器的示波器做波特图测试。

示波器是一台观察信号表象的仪器，主要用来测量电源纹波和串扰等（MXR  示波器内置频谱分析仪还可测试频域干扰），网络分析仪则可以观察问题本质，在低频几个 Hz 到 3GHz 频段内分析阻抗和相位，而仿真软件则可以实现仿测联合，在仿真阶段实现一致性测试，在测试阶段实现不可测点的仿真，因而，对于电源完整性工程师来说，时域、频域和仿真软件三种不同的工具都是比不可以少的。

电源完整性测试系统的技术背景、方案配置和关键性能指标整理如下。感谢是德科技的技术工程师，汪世龙、万俊辉、蒋修国、闫振龙和朱杰新，他们提供了更详细的章节内容，对每一部分进一步展开。

本文设计到的电源完整性测试系统配置：

示波器部分

●MXR254A ( 或 EXR254A) 2.5GHz 带宽 10 比特示波器

●N7020A 2GHz 1:1 电源完整性探头（2 根）

●N2870A 35MHz 1:1 无源探头 (2 根)

●建议但不必须：D9110POWA 电源完整性分析软件

●建议但不必须：N2820A 极小信号测试差分电压和电流探头 (500nA 或 3uV )●建议但不必须：CX3300 电流波形分析仪，14 或 16 比特分辨率，1GSa/s 采样率

网络分析仪部分

●E5061B(Opt 005，3L5) 网络分析仪

●1250-1250(x2)，15442A

●85033E

●11667L

●8120-1840(x4)

●16201A(Opt 001)，16195B

●16092A，16192A(16192A/B/C/D，16197A 根据需要选择），16047E

直流源激励部分

●N7900 系列高级电源

●N6705B 直流电源分析仪 + N6762A DPS 模块 + N6781A SMU 模块

高速数字信号的电源完整性激励部分

●81160A 脉冲码型任意波发生器

仿真部分

●W2200 ADS 核心环境，W2302 瞬态卷积仿真软件模块，W2321 版图编辑软件模块

●W2324 大规模版图预处理器元件，W2341 Momentum G2 电路板电磁场分析及高级建模器软件模块

●W2342 FEM 频域有限元电磁场仿真软件模块，W2401 EMPro 核心环境

电源完整性测试系统关键性能指标：

●纹波测试能力：£3mv（P-P），具体取决于具体的被测对象，也有场合是 20mV 左右。

●阻抗测试能力：1 毫欧 ~ 50K 欧姆

●频率范围 ：5Hz ~ 3GHz

●基本测试精度 ：±2％

●SMD 器件测试能力：频率 DC ~ 3GHz

●引脚器件测试能力：频率 DC ~ 110MHz

●直流偏置范围 ：0 ~ ±40V

电源完整性测试系统实现的测试功能 ：

●电源纹波 / 噪声/ 串扰测量，干扰源定位

●直流 - 直流转换器环路增益（幅度和相位）测量

●PDN（电源分配网络）毫欧姆级阻抗测量

●滤波电容/ 旁路电容 / 磁珠等用于电源分配网络的器件的阻抗和参数测量

●激励响应测试

●仿真、仿测联合

第一章     电源完整性时域分析之示波器

电源纹波和噪声测量

选择纹波和噪声测量的方法，首先要确定是是在系统中测量还是在系统外测量，然后再确定采用直接测量还是间接测量。当然，还要选择测量的域（时域或者频域）。（就像测量信号幅值一样，直接测量就是对纹波和 / 或噪声进行测量。这是噪声的一种绝对测试。另一个方面，间接测量测量的不是噪声，而是噪声影响。模数转换器ADC 的时钟就是一个很好的例子。ADC 的噪声水平与时钟抖动密切相关，而时钟抖动与电源噪声紧密相关。在很多情况下，通过测量抖动来评估电源噪声比直接测量信号噪声更有意义）

因此，工程师选择示波器做电源纹波和噪声测量通常有如下几个优点：

1）时域层面，示波器能对纹波和噪声进行最直观的测量；

2）频域层面，MXR 示波器虽然不支持阻抗测试，但其内置的实时频谱分析仪功能，可帮助快速定位射频干扰源；

3）系统内测量 / 直接测量层面，灵活的探头配置，胜任低本底噪声下的纹波和噪声测试 ；

4）系统外测量 / 间接测量层面，内置丰富软硬件功能支持多种系统级测试；

i.基于电源完整性的串扰分析软件

ii.内置任意波形发生器支持波特图分析（环路响应测试）    iii.内置任意波形发生器支持 PSRR 分析

实时数字示波器测试波形没有问题，但示波器及其探头都有其固有的本底噪声。如果要测量的噪声与“示波器和探头”的噪声在相同数量级，那么要进行精确测量将是非常困难的一件事情。

示波器的主要噪声来源于 2 个方面 ：示波器本身的噪声和探头的噪声。

所有的实时示波器都使用衰减器和放大器来调整垂直量程，在不同的量程设置下，其对应的放大比或衰减比是不同的，示波器的本底噪声也是不同的。以 MXR 系列示波器的 2GHz 型号 MXR0254A 为例，在满带宽，1mV/ div 设置下，其本底噪声是 91uVrms，在 10mV/div 设置下其本底噪声就变为 131uVrms，表 1 是 MXR 系列示波器在不同量程设置下的本底噪声。从该表 1 我们可以得出一个结论，测量噪声时应尽可能使用示波器最灵敏，也就是最小，的量程档。但是示波器在最灵敏档下通常不具有足够的偏置范围可以把被测直流电压拉到示波器屏幕中心范围进行测试，表 2 是常见示波器支持的偏置范围，从表 2 我们可以得出第二个结论，没有一台示波器支持的偏置范围可以覆盖常见的直流电源被测对象，因此通常需要利用 N7020A 这样的电源完整性专用探头将直流偏置范围提升到 +/-24V，否则，你要么使用 AC 耦合把直流电平滤掉只测量 AC 成分，要么使用隔直电容来完成测试，但所有示波器仅在 1M 欧姆输入阻抗情况下支持 AC 耦合，在此条件下，示波器带宽会降到 500MHz， 示波器自身的本底噪声会变大 ；使用隔直电容的缺点是将直流成分去掉的同时，也会把极低频信号滤除，电源信号本身就是低频的，所以有机会把诸如电压缓慢跌落等现象掩盖了。表 1-1 ：MXR 系列示波器在不同量程设置下的本底噪声，适用于电源完整性测试的设置最多只有 4 个，在图中以绿色标示。大部分情况下，应该使用每格 1mV ~ 10mV 的设置。

表 1：对于电源纹波测试，建议使用最灵敏的垂直刻度，尽可能使用示波器的小量程，否则，示波器自身的本底噪声会带来较大的测量误差， 该表给出 MXR 系列示波器在不同量程设置下的本底噪声。

表 2 ：MXR 系列示波器本身的直流偏置范围如上表所示，电源纹波测试一般使用示波器 50 欧姆输入阻抗，这时，其直流偏置范围有限。

MXR/EXR 系列示波器提供多款电源完整性分析套件：

1. 时域分析工具，开关电源分析软件D9010PWRA，可通过输入分析、开关器件表征和输出分析嘞实现自动化的电源特性测量；

2. 频域分析工具，内置任意波形发生器搭配软件D9010PWRA 进行频率响应测量，例如电源抑制比（PSRR）和波特图测试（控制环路响应分析）；

3. 电源轨和PMIC 完整性― D9010POWA（可按此型号搜索技术资料）分析工具，搭配N7020A 或N7024A 电源轨探头。该分析应用程序让用户可以将直流电源定义为“受害者信号”或“侵略者信号”并量化所涉及的不利影响。

举例 1 ：基于示波器平台进行的环路响应测试（波特图测试）

波特图主要通过两个裕量（增益裕量和相位裕量）来评估电源的稳定性。若两个裕量都大于 0，则电路不会震荡。裕量越大，电路越稳定。

举例 2 ：基于示波器平台进行的 PSRR 测试（电源抑制比）

PSRR 是衡量 dc - dc 变换器从输入到输出抑制噪声的能力的指标。它被定义为在较宽的频率范围内输入纹波与输出纹波的比值，并以 dB 为单位对频率进行对数绘制。为了进行测量，Infiniium MXR（和 EXR）- 系列示波器使用自己内置的 WaveGen 从用户定义的开始频率到用户定义的停止频率扫描输入，同时测量每个步进频率的VIN 和 VOUT。

举例 3 ：基于 D9010POWA 搭配 N7020A/N7024A 的电源和数据线间的串扰测试，图中所示为定义直流电源为“侵略者信号”，以此量化该“侵略者信号”对串行链路数据 ―“受害者信号”所涉及的不利影响。

在这个例子中，N7020A 电源轨探头被用来测量一个正在传输串行数据流的 FPGA 的 1.1V 电源。1.1 V 电源有大约 115 mVpp 的噪声或大约 ±5% 的噪声。

上图 ：左图，FPGA 直流电源和 MXR/EXR 系列示波器捕获的串行数据。数据线（黄线）；电源（蓝线）。

通过 D9010POWA 的分析软件，我们可以不用实际在直流电源上让这个 1.1V 的供电变“干净”，而是通过软件分析出1.1V 电源上的噪声造成了多大的影响。下图展示的就是通过 D9010POWA 搭配 N7020A/N7024A 探头测量， 来剔除由于 1.1V“不干净”的电源对串行数据信号带来的串扰影响的。

上图 ：从上之下，串行数据和“不干净”的 1.1V 直流电源信号，实测的由于电源串扰所影响的串行数据眼图（眼宽 63ps）， D9010POWA 软件推测的去除 1.1V“不干净”直流电源信号后的串行数据眼图（眼宽 117ps）。

第一章分享结束，即将分享：第二章   电源完整性时域分析之测试探头

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