这个重点你掌握了吗——电源完整性测试详解
时间：2021-08-19 15:27:38
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[导读]一. 电源完整性概述电源完整性（PowerIntegrity）简称PI，是确认电源来源、目的端电压以及电流是否符合需求。PI所研究的就是如何为整个系统提供一个稳定可靠的电源分配网络（PowerDistributionNetwork，简称PDN），确定从DC转换器的输出到芯片、板卡...
一. 电源完整性概述
电源完整性（Power Integrity）简称PI，是确认电源来源、目的端电压以及电流是否符合需求。PI所研究的就是如何为整个系统提供一个稳定可靠的电源分配网络（Power Distribution Network，简称PDN），确定从DC转换器的输出到芯片、板卡和系统的直流电源的质量, 使得系统工作时，电源噪声能够得到有效控制，并充分抑制芯片工作时引起的电压波动、辐射和串扰。
电源完整性直接决定了产品的性能，如整机可靠性、信噪比与误码率，以及EMI/EMC等重要指标，正确测试和分析电源完整性也变得至关重要。PI以前隶属于SI（Signal Integrity，信号完整性）专题，正是由于意识到它的重要性，目前研发人员已经将其作为一个独立的专题来研究。
二． PI测试的内容
常见的PI测试指标，包括周期性和随机性扰动 (Periodic and Random Disturbances，简称PARD)，即噪声、纹波和瞬变；静态和瞬态负载响应；以及电源漂移。
图1 周期性和随机性扰动（PARD）测试
PARD是直流输出电压与其期望值的偏差，它通常用峰峰值（Vpp）来衡量。
图2 静态或瞬态负载响应测试
静态或瞬态负载响应测试，是对预定负载的指定输出极限的测量。
图3 供电漂移测试
供电漂移测试的是供电幅度随时间的变化和漂移，确认是否在容限范围之内。三． 电源完整性测试的挑战
1. 波形捕获率对测试结果置信度的影响： 图4 波形样本数越多测试结果越真实
噪声RMS值的测量与给定的波形样本数量和采样间隔有关，测试样本少，峰峰值小，RMS值偏大。而只有样本数足够多的情况，测试值才会更准确。
图5 波形捕获率低导致异常信号遗漏
传统数字示波器在小信号状态下无法触发，示波器只能实现每秒20次左右的波形采集，波形捕获间隔过大，样本积累较慢，无法获得准确的RMS值。
2. uV级-mV级噪声测试的挑战：随着电子产品的功能增强，元器件密度增大及运行频率的升高，推动了对更低电源电压的需求。电路设计如DDR通常使用3.3V、1.8V、1.5V甚至1.2 V DC电源，每个电源的容差都比前几代产品小。对于数字器件而言，电源噪声/纹波的要求还在几十mV量级，而对于模拟器件和混合器件而言，电源噪声/纹波已经到了100uV量级，乃至10uV量级。
工程师需要放大电源轨（Power Rail）以查找瞬变，测量纹波并分析其上的信号耦合。然而示波器通常在小量程的垂直档位没有足够的直流偏置，无法将直流电源轨移动到屏幕中心以进行所需的测量。AC耦合的方式（在信号路径中放置隔直电容或DC Block）可以消除偏移问题，但也会消除电源轨中相关的直流信息（如直流电源压缩或低频漂移）。
使用10倍衰减的探头，有助于解决示波器直流偏置不够的问题，但也会降低信噪比并对测量精度产生负面影响。
有的工程师将示波器的50Ω输入与同轴电缆和隔直电容（DC Block）串来提供1 : 1的衰减比的探测方法，精度也更高，但这会导致被测试的电源负载变大，并且由于使用隔直电容也同样导致丢失直流电源压缩和低频漂移信息。
图6 采用同轴线缆和隔直电容测试纹波与噪音
3. GHz级别宽带噪声测试能力的挑战直流电源上的纹波、噪声和瞬变是数字系统中时钟和数据抖动的主要来源。处理器、内存和其他类似器件对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生，并可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声，它们包含了1 GHz以上的频率成分。设计人员需要高带宽的工具来评估和了解其直流电源轨上的高速噪声和瞬变。
很多示波器在小量程测试时由于底噪过大而不得不限制带宽，否则信号会被埋没在噪音之中。如果我们需要达到GHz的PI测试能力，示波器的带宽不能被限制。
4. 特定频带内的RMS噪声测试及噪音的时/频域相关分析某些电路元器件要求在特定频带内的RMS噪音在一定的范围之内，如某LDO（低压差线性稳压器件）手册要求噪声指标为在10Hz到100KHz频段为16uVrms。对于系统级测试，尽管噪声参数会大于LDO的标称指标，但数量级仍为uV-mV量级。
传统的示波器虽然有简单FFT功能，但由于时域设置决定了其频谱分析范围，时频域设置互锁严重，频域的放大并不能展示更多细节，导致其无法用于时/频相关分析。
5. 探接方式的挑战电路形态各异，需要有更灵活的附件来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视。四． 罗德与施瓦茨（R
电源完整性（Power Integrity）简称PI，是确认电源来源、目的端电压以及电流是否符合需求。PI所研究的就是如何为整个系统提供一个稳定可靠的电源分配网络（Power Distribution Network，简称PDN），确定从DC转换器的输出到芯片、板卡和系统的直流电源的质量, 使得系统工作时，电源噪声能够得到有效控制，并充分抑制芯片工作时引起的电压波动、辐射和串扰。
电源完整性直接决定了产品的性能，如整机可靠性、信噪比与误码率，以及EMI/EMC等重要指标，正确测试和分析电源完整性也变得至关重要。PI以前隶属于SI（Signal Integrity，信号完整性）专题，正是由于意识到它的重要性，目前研发人员已经将其作为一个独立的专题来研究。
二． PI测试的内容
常见的PI测试指标，包括周期性和随机性扰动 (Periodic and Random Disturbances，简称PARD)，即噪声、纹波和瞬变；静态和瞬态负载响应；以及电源漂移。
图1 周期性和随机性扰动（PARD）测试
PARD是直流输出电压与其期望值的偏差，它通常用峰峰值（Vpp）来衡量。
图2 静态或瞬态负载响应测试
静态或瞬态负载响应测试，是对预定负载的指定输出极限的测量。
图3 供电漂移测试
供电漂移测试的是供电幅度随时间的变化和漂移，确认是否在容限范围之内。三． 电源完整性测试的挑战
1. 波形捕获率对测试结果置信度的影响： 图4 波形样本数越多测试结果越真实
噪声RMS值的测量与给定的波形样本数量和采样间隔有关，测试样本少，峰峰值小，RMS值偏大。而只有样本数足够多的情况，测试值才会更准确。
图5 波形捕获率低导致异常信号遗漏
传统数字示波器在小信号状态下无法触发，示波器只能实现每秒20次左右的波形采集，波形捕获间隔过大，样本积累较慢，无法获得准确的RMS值。
2. uV级-mV级噪声测试的挑战：随着电子产品的功能增强，元器件密度增大及运行频率的升高，推动了对更低电源电压的需求。电路设计如DDR通常使用3.3V、1.8V、1.5V甚至1.2 V DC电源，每个电源的容差都比前几代产品小。对于数字器件而言，电源噪声/纹波的要求还在几十mV量级，而对于模拟器件和混合器件而言，电源噪声/纹波已经到了100uV量级，乃至10uV量级。
工程师需要放大电源轨（Power Rail）以查找瞬变，测量纹波并分析其上的信号耦合。然而示波器通常在小量程的垂直档位没有足够的直流偏置，无法将直流电源轨移动到屏幕中心以进行所需的测量。AC耦合的方式（在信号路径中放置隔直电容或DC Block）可以消除偏移问题，但也会消除电源轨中相关的直流信息（如直流电源压缩或低频漂移）。
使用10倍衰减的探头，有助于解决示波器直流偏置不够的问题，但也会降低信噪比并对测量精度产生负面影响。
有的工程师将示波器的50Ω输入与同轴电缆和隔直电容（DC Block）串来提供1 : 1的衰减比的探测方法，精度也更高，但这会导致被测试的电源负载变大，并且由于使用隔直电容也同样导致丢失直流电源压缩和低频漂移信息。
图6 采用同轴线缆和隔直电容测试纹波与噪音
3. GHz级别宽带噪声测试能力的挑战直流电源上的纹波、噪声和瞬变是数字系统中时钟和数据抖动的主要来源。处理器、内存和其他类似器件对直流电源的动态负载随着各自时钟频率而发生，并可能在直流电源上耦合高速瞬态变化和噪声，它们包含了1 GHz以上的频率成分。设计人员需要高带宽的工具来评估和了解其直流电源轨上的高速噪声和瞬变。
很多示波器在小量程测试时由于底噪过大而不得不限制带宽，否则信号会被埋没在噪音之中。如果我们需要达到GHz的PI测试能力，示波器的带宽不能被限制。
4. 特定频带内的RMS噪声测试及噪音的时/频域相关分析某些电路元器件要求在特定频带内的RMS噪音在一定的范围之内，如某LDO（低压差线性稳压器件）手册要求噪声指标为在10Hz到100KHz频段为16uVrms。对于系统级测试，尽管噪声参数会大于LDO的标称指标，但数量级仍为uV-mV量级。
传统的示波器虽然有简单FFT功能，但由于时域设置决定了其频谱分析范围，时频域设置互锁严重，频域的放大并不能展示更多细节，导致其无法用于时/频相关分析。
5. 探接方式的挑战电路形态各异，需要有更灵活的附件来进行信号的探接。探接的稳定性和寄生参数对被测电源电路的影响不可忽视。四． 罗德与施瓦茨（R
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