电源完整性的相关问题——电源噪声分析

2016-11-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

近期完成了一个大公司的电源完整性分析,这个对于电子产品相当重要,下面给大家科普一下:

什么是电源噪声?

一提到电源噪声,相信就会引起很多电子工程师的共鸣。我们平时所说的电源噪声到底是什么呢?它等同于电源纹波吗?事实上,电源噪声不同于电源纹波,它是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分。而纹波是出现输出端子间的一种与输入频率、开关频率同步的成分,是叠加在稳定直流信号上的交流干扰信号。

电源噪声波形

电源噪声的分析方法:

在电源噪声的分析过程中,比较经典的方法是使用示波器观察电源噪声波形并测量其幅值,据此判断电源噪声的来源。但是随着数字器件的电压逐步降低、电流逐步升高,电源设计难度增大,在观察时域波形无法定位故障时,可以通过 FFT(快速傅立叶变换)方法进行时频转换,将时域电源噪声波形转换到频域进行分析。电路调试时,从时域和频域两个角度分别来查看信号特征,可以有效地加速调试进程。

示波器的频域分析功能是通过傅立叶变换实现的,傅立叶变换的实质是任何时域的序列都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。我们分析这些正弦波的频率、幅值和相位信息,就是将时域信号切换到频域的分析方法。数字示波器采样到的序列是离散序列,所以我们在分析中最常用的是快速傅立叶变换(FFT)。 FFT算法是对离散傅立叶变换(DFT)算法优化而来,运算量减少了几个数量级,并且需要运算的点数越多,运算量节约越大。

示波器捕获的噪声波形进行FFT变换,有几个关键点需要注意:

1、根据耐奎斯特抽样定律,变换之后的频谱展宽(Span)对应与原始信号的采样率的1/2,如果原始信号的采样率为1GS/s,则FFT之后的频谱展宽最多是500MHz;

2、变换之后的频率分辨率(RBW Resolution Bandwidth)对应于采样时间的倒数,如果采样时间为10mS,则对应的频率分辨率为100Hz;

3、频谱泄漏,即信号频谱中各谱线之间相互干扰,能量较低的谱线容易被临近的高能量谱线的泄漏所淹没。避免频谱泄漏可以尽量采集速率与信号频率同步,延长采集信号时间及使用适当的窗函数。

电源噪声测量时要求采集的信号时间可以足够长,可以认为覆盖到了整个有效信号的时间跨度。

电源噪声的来源:

电源系统的噪声来源有三个方面:

第一,稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的,会有一定的波纹。这是由稳压芯片自身决定的,一旦选好了稳压电源芯片,对这部分噪声我们只能接受,无法控制。

第二,稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。稳压电源芯片通过感知其输出电压的变化,调整其输出电流,从而把输出电压调整回额定输出值。多数常用的稳压源调整电压的时间在毫秒到微秒量级。因此,对于负载电流变化频率在直流到几百KHz之间时,稳压源可以很好的做出调整,保持输出电压的稳定。当负载瞬态电流变化频率超出这一范围时,稳压源的电压输出会出现跌落,从而产生电源噪声。现在,微处理器的内核及外设的时钟频率已经超过了600兆赫兹,内部晶体管电平转换时间下降到800皮秒以下。这要求电源分配系统必须在直流到1GHz范围内都能快速响应负载电流的变化,但现有稳压电源芯片不可能满足这一苛刻要求。我们只能用其他方法补偿稳压源这一不足,这涉及到后面要讲的电源去耦。

第三,负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降。PCB板上任何电气路径不可避免的会存在阻抗,不论是完整的电源平面还是电源引线。对于多层板,通常提供一个完整的电源平面和地平面,稳压电源输出首先接入电源平面,供电电流流经电源平面,到达负载电源引脚。地路径和电源路径类似,只不过电流路径变成了地平面。完整平面的阻抗很低,但确实存在。如果不使用平面而使用引线,那么路径上的阻抗会更高。另外,引脚及焊盘本身也会有寄生电感存在,瞬态电流流经此路径必然产生压降,因此负载芯片电源引脚处的电压会随着瞬态电流的变化而波动,这就是阻抗产生的电源噪声。在电源路径表现为负载芯片电源引脚处的电压轨道塌陷,在地路径表现为负载芯片地引脚处的电位和参考地电位不同(注意,这和地弹不同,地弹是指芯片内部参考地电位相对于板级参考地电位的跳变)。

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