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示波器频域分析在电源调试的应用

作者:广东泰测电子有限公司 浏览: 发表时间:2022-03-28 09:28:05

作为硬件相关工程师,电源设计和测试非常重要,电源分析的方法有很多,分为DC或交流、时域或频域、纹波或噪声。

众所周知,示波器是基于时域进行测试和分析的,但随着技术的发展,越来越多的示波器也具有频域功能,给电源调试带来了很好的便利。

电源噪声是一种电磁干扰,其传导噪声的频谱约为10kHz~30mHz,***可达150mHz。电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,上升速度快,持续时间短,电压振幅高,随机性强,容易对微机和数字电路造成严重干扰。

接下来,泰测电子分享示波器频域分析在电源调试中的应用。

本文讨论了多年来***受关注的电源噪声测量问题,有***实用的经验总结,有实测案例的支持,有模拟分析的结合。

在电源噪声分析过程中,经典的方法是用示波器观察电源噪声波形,测量其振幅,从而判断电源噪声的来源。然而,随着数字设备电压的逐渐降低。随着电流的逐渐增加,电源设计变得更加困难,因此需要使用更有效的测试方法来评估电源噪声。本文是用频域法分析电源噪声的案例。当观察时域波形无法定位故障时,通过FFT(快速傅立叶变换)方法进行时间频率转换,将时域电源噪声波形转换为频域进行分析。电路调试时,从时域和频域的角度检查信号特征,可有效加快调试过程。

在单板调试过程中,发现网络的电源噪声达到80mv,已超过设备要求。为了保证设备的稳定运行,必须降低电源噪声。

调试故障前,回顾电源噪声抑制噪声抑制的原理。如下图所示,电源分配网络中的不同频段由不同的元件抑制噪声。去耦元件包括电源调整模块(VRM)。去耦电容器。PCB电源地平面对。设备包装和芯片。VRM包括电源芯片和外围输出电容器,大约作用于DC到低频段(约100K),其等效模型是由电阻和电感组成的二元件模型。去耦电容器***与多个数量级电容器一起使用,充分覆盖中频段(约几十K到100M)。由于布线电感和包装电感的存在,即使大量堆叠去耦电容器也很难在更高频率上发挥作用。PCB电源地平面面对形成平板电容器,也具有去耦作用,约几十兆。芯片包装和芯片负责高频段(超过100M),目前的高端设备一般会在包装上增加去耦电容器,此时PCB上的去耦范围可以降低到几十兆甚至几兆。因此,在电流负载不变的情况下,只要判断电压噪声出现在哪个频段,就可以优化该频段对应的去耦元件。两个去耦元件在两个去耦元件的相邻频段时会配合,因此在分析去耦元件的临界点时也应考虑相邻频段的去耦元件。

根据传统的电源调试经验,首先在网络上增加了一些去耦电容,增加了电源网络的阻抗余量,以确保中频段的电源网络阻抗能够满足应用场景的需要。结果,纹波只减少了几毫V,几乎没有改善。有几种可能性会产生这个结果:

1.噪声处于低频,不在这些去耦电容的范围内;

2.增加电容器会影响电源调节器VRM的环路特性,减少电容器带来的阻抗,抵消VRM的恶化。

带着这个问题,我们考虑使用示波器的频域分析功能来检查电源噪声的频谱特性,并定位问题的根源。

示波器的频域分析功能是通过傅立叶变换实现的。傅立叶变换的本质是任何时域序列都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。我们分析了这些正弦波的频率。振幅和相位信息是将时域信号切换到频域的分析方法。数字示波器采样的序列是离散序列,因此我们在分析中***常用的是快速傅立叶变换(FFT)。FFT算法优化了离散傅立叶变换(DFT)算法。计算量减少了几个数量级,需要计算的点越多,计算量就越经济。

FFT变换示波器捕获的噪声波形的关键点。

FFT改变示波器捕获的噪声波形有几个关键点需要注意。

1.根据耐奎斯特抽样定律,变换后的频谱宽度(Span)对应于原始信号采样率的1/2。如果原始信号采样率为1GS/s,FFT后的频谱宽度***多为500mHz;

2.变换后的频率分辨率(RBWResolutionBandwidth)对应于采样时间的倒数,如果采样时间为10ms,则相应的频率分辨率为100Hz;

3.频谱泄漏,即信号频谱中的光谱线相互干扰,能量较低的光谱线容易被附近高能光谱线的泄漏淹没。为避免频谱泄漏,采集速率可与信号频率同步,延长采集信号时间,使用适当的窗函数。

测量电源噪声时不需要较高的采样率,因此可以设置长时基,这也意味着采集的信号时间可以足够长,可以认为覆盖整个有效信号的时间跨度,此时无需添加窗函数。调整上述设置,可以获得更准确的FFT变换曲线,然后通过Zoom功能查看感兴趣的频点。下图中电源噪声的主要能量集中在11.3KHz左右,并以此频率为基波频率谐振。因此,可以推断PDN网络在11.3KHz的阻抗不能满足要求,频点电容器的阻抗相对较高,不能降低阻抗,因此前面增加电容器并不能降低电源噪声。

一般来说,11.3KHz应该是VRM的管辖范围,这里的噪音很大,说明VRM电路设计不能满足要求。这里有很多方法可以分析VRM的性能。这里主要采用模拟其反馈波特图的方法。波特图主要观察几个关键信息:

1.穿越频率,增益曲线穿越0dB线的频率点;

2.相位裕度,相位曲线对应于穿越频率的相位值;

3.增益裕度,当相位为-360°时,相应的增益值。这里我们主要关注两个指标:穿越频率和相位裕度。从VRM的环路波特图(如下图a)可以看出,VRM的穿越频率在8KHz左右,相位裕度在37度左右。这里有两个问题:首先,VRM的相位裕度一般需要大于45度才能保证环路的稳定运行,这里的相位裕度略小,需要增加相位裕度;其次,穿越频率太低,穿越频率附近VRM的调整效果逐渐降低,而这个频点的bulk电容不起作用,所以8KHz附近会有很高的阻抗,这个频点的噪声抑制效果很差。下图(b)是优化VRM环路后的波特图,将相位裕度调整到50度,穿越频率推到46KHz左右。

对于优化后的VRM验证纹波,可以看出纹波明显降至33mv,能满足设备要求。

以上案例是利用示波器FFT功能快速定位电源问题的过程。从这个例子中,我们可以看到示波器的频域分析功能在电路调试中起着重要的作用。示波器的FFT功能和长存储深度可以很容易地分析低频长周期信号,这在数字电路调试中更为突出。


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