怎樣(yàng)應(yìng)用(yòng)示波(bō)器頻域方(fāng)法(fǎ)分(fēn)析电源噪聲？

作(zuò)者(zhě)：admin      时(shí)间：2020年(nián)05月(yuè)06日(rì)

• 在(zài)电源噪聲的(de)分(fēn)析过(guò)程中(zhōng)，比較經(jīng)典的(de)方(fāng)法(fǎ)是(shì)使用(yòng)示波(bō)器觀察电源噪聲波(bō)形并測量(liàng)其(qí)幅值，據(jù)此判斷电源噪聲的(de)来(lái)源。但是(shì)随着數字(zì)器件(jiàn)的(de)电壓逐步降低(dī)、电流逐步升(shēng)高(gāo)，电源設計(jì)難度(dù)增大(dà)，需要使用(yòng)更(gèng)加有(yǒu)效的(de)測试手(shǒu)段(duàn)来(lái)評估电源噪聲。本(běn)文(wén)是(shì)使用(yòng)頻域方(fāng)法(fǎ)分(fēn)析电源噪聲的(de)一(yī)个(gè)案(àn)例，在(zài)觀察时(shí)域波(bō)形无法(fǎ)定(dìng)位(wèi)故障时(shí)，通(tòng)过(guò)FFT(快(kuài)速傅立葉(yè)變(biàn)換)方(fāng)法(fǎ)进行时(shí)頻轉(zhuǎn)換，将时(shí)域电源噪聲波(bō)形轉(zhuǎn)換到(dào)頻域进行分(fēn)析。电路(lù)調试时(shí)，從时(shí)域和(hé)頻域两(liǎng)个(gè)角度(dù)分(fēn)别来(lái)查看(kàn)信(xìn)号(hào)特(tè)征，可(kě)以(yǐ)有(yǒu)效地(dì)加速調试进程。

• 在(zài)單闆調试过(guò)程中(zhōng)發(fà)現(xiàn)一(yī)个(gè)网(wǎng)絡的(de)电源噪聲达(dá)到(dào)80mv，已經(jīng)超过(guò)器件(jiàn)要求，为了保證器件(jiàn)能夠穩定(dìng)工作(zuò)必須降低(dī)该电源噪聲。在(zài)調试该故障前(qián)先(xiān)回(huí)顧下(xià)电源噪聲抑制的(de)原理(lǐ)。如(rú)下(xià)图(tú)所(suǒ)示，电源分(fēn)配网(wǎng)絡中(zhōng)不(bù)同(tóng)的(de)頻段(duàn)由(yóu)不(bù)同(tóng)的(de)元(yuán)件(jiàn)来(lái)抑制噪聲，去(qù)耦元(yuán)件(jiàn)包(bāo)含电源調整模块(kuài)(VRM)、去(qù)耦电容、PCB电源地(dì)平面(miàn)对(duì)、器件(jiàn)封(fēng)裝(zhuāng)和(hé)芯片(piàn)。VRM包(bāo)含电源芯片(piàn)及(jí)外(wài)圍的(de)輸出(chū)电容，大(dà)約作(zuò)用(yòng)于DC到(dào)低(dī)頻段(duàn)(100K左(zuǒ)右)，其(qí)等效模型是(shì)一(yī)个(gè)电阻和(hé)一(yī)个(gè)电感(gǎn)組成的(de)二(èr)元(yuán)件(jiàn)模型。去(qù)耦电容好(hǎo)使用(yòng)多个(gè)數量(liàng)級容值的(de)电容配合使用(yòng)，充分(fēn)覆蓋中(zhōng)頻段(duàn)(數10K到(dào)100M左(zuǒ)右)。由(yóu)于布(bù)線(xiàn)电感(gǎn)和(hé)封(fēng)裝(zhuāng)电感(gǎn)的(de)存在(zài)，即时(shí)大(dà)量(liàng)堆(duī)砌去(qù)耦电容也(yě)難以(yǐ)在(zài)更(gèng)高(gāo)頻起(qǐ)到(dào)作(zuò)用(yòng)。PCB电源地(dì)平面(miàn)对(duì)形成了一(yī)个(gè)平闆电容，也(yě)具有(yǒu)去(qù)耦作(zuò)用(yòng)，大(dà)約作(zuò)用(yòng)在(zài)數十(shí)兆(zhào)。芯片(piàn)封(fēng)裝(zhuāng)和(hé)芯片(piàn)負責高(gāo)頻段(duàn)(100M以(yǐ)上(shàng))，目前(qián)的(de)高(gāo)端器件(jiàn)一(yī)般会(huì)在(zài)封(fēng)裝(zhuāng)上(shàng)增加去(qù)耦电容，此时(shí)PCB上(shàng)的(de)去(qù)耦範圍可(kě)以(yǐ)降低(dī)到(dào)數十(shí)兆(zhào)甚至(zhì)幾(jǐ)兆(zhào)。因(yīn)此，在(zài)电流負载不(bù)變(biàn)的(de)情(qíng)况下(xià)，我(wǒ)们(men)只(zhī)要判斷出(chū)电壓噪聲出(chū)現(xiàn)在(zài)哪个(gè)頻段(duàn)，那(nà)麼(me)針(zhēn)对(duì)这(zhè)个(gè)頻段(duàn)所(suǒ)对(duì)應(yìng)的(de)去(qù)耦元(yuán)件(jiàn)进行優化(huà)即可(kě)。在(zài)两(liǎng)个(gè)去(qù)耦元(yuán)件(jiàn)的(de)相鄰頻段(duàn)时(shí)两(liǎng)个(gè)去(qù)耦元(yuán)件(jiàn)会(huì)配合作(zuò)用(yòng)，所(suǒ)以(yǐ)在(zài)分(fēn)析去(qù)耦元(yuán)件(jiàn)臨界點(diǎn)时(shí)相鄰頻段(duàn)的(de)去(qù)耦元(yuán)件(jiàn)也(yě)要同(tóng)时(shí)納入(rù)考慮。

• 根(gēn)據(jù)傳統电源調试經(jīng)验(yàn)，首先(xiān)在(zài)该网(wǎng)絡上(shàng)增加了一(yī)些(xiē)去(qù)耦电容，增加电源网(wǎng)絡的(de)阻抗餘量(liàng)，保證在(zài)中(zhōng)頻段(duàn)的(de)电源网(wǎng)絡阻抗都能滿足该應(yìng)用(yòng)场(chǎng)景的(de)需求。結果(guǒ)紋波(bō)僅降低(dī)幾(jǐ)mV，改善微乎其(qí)微。产生(shēng)这(zhè)个(gè)結果(guǒ)有(yǒu)幾(jǐ)个(gè)可(kě)能：1、噪聲處(chù)在(zài)低(dī)頻，并不(bù)在(zài)这(zhè)些(xiē)去(qù)耦电容起(qǐ)作(zuò)用(yòng)的(de)範圍內(nèi);2、增加电容影响了电源調节(jié)器VRM的(de)环(huán)路(lù)特(tè)征，电容带(dài)来(lái)的(de)阻抗降低(dī)與(yǔ)VRM的(de)惡化(huà)抵消了。带(dài)着这(zhè)个(gè)疑问，我(wǒ)们(men)考慮使用(yòng)示波(bō)器的(de)頻域分(fēn)析功能来(lái)查看(kàn)电源噪聲的(de)頻譜特(tè)性(xìng)，定(dìng)位(wèi)问題(tí)根(gēn)源。

• 示波(bō)器的(de)頻域分(fēn)析功能是(shì)通(tòng)过(guò)傅立葉(yè)變(biàn)換實(shí)現(xiàn)的(de)，傅立葉(yè)變(biàn)換的(de)實(shí)質(zhì)是(shì)任何时(shí)域的(de)序列都可(kě)以(yǐ)表(biǎo)示为不(bù)同(tóng)頻率的(de)正(zhèng)弦波(bō)信(xìn)号(hào)的(de)无限疊加。我(wǒ)们(men)分(fēn)析这(zhè)些(xiē)正(zhèng)弦波(bō)的(de)頻率、幅值和(hé)相位(wèi)信(xìn)息，就(jiù)是(shì)将时(shí)域信(xìn)号(hào)切(qiè)換到(dào)頻域的(de)分(fēn)析方(fāng)法(fǎ)。數字(zì)示波(bō)器采樣(yàng)到(dào)的(de)序列是(shì)離散(sàn)序列，所(suǒ)以(yǐ)我(wǒ)们(men)在(zài)分(fēn)析中(zhōng)常用(yòng)的(de)是(shì)快(kuài)速傅立葉(yè)變(biàn)換(FFT)。FFT算法(fǎ)是(shì)对(duì)離散(sàn)傅立葉(yè)變(biàn)換(DFT)算法(fǎ)優化(huà)而(ér)来(lái)，運算量(liàng)減少(shǎo)了幾(jǐ)个(gè)數量(liàng)級，并且(qiě)需要運算的(de)點(diǎn)數越多，運算量(liàng)节(jié)約越大(dà)。

• 示波(bō)器捕獲的(de)噪聲波(bō)形进行FFT變(biàn)換，有(yǒu)幾(jǐ)个(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意(yì)。

• 1、根(gēn)據(jù)耐奎斯特(tè)抽樣(yàng)定(dìng)律，變(biàn)換之(zhī)後(hòu)的(de)頻譜展(zhǎn)宽(kuān)(Span)对(duì)應(yìng)與(yǔ)原始(shǐ)信(xìn)号(hào)的(de)采樣(yàng)率的(de)1/2，如(rú)果(guǒ)原始(shǐ)信(xìn)号(hào)的(de)采樣(yàng)率为1GS/s，則FFT之(zhī)後(hòu)的(de)頻譜展(zhǎn)宽(kuān)多是(shì)500MHz;

• 2、變(biàn)換之(zhī)後(hòu)的(de)頻率分(fēn)辨率(RBW Resolution Bandwidth)对(duì)應(yìng)于采樣(yàng)时(shí)间的(de)倒數，如(rú)果(guǒ)采樣(yàng)时(shí)间为10mS，則对(duì)應(yìng)的(de)頻率分(fēn)辨率为100Hz;

• 3、頻譜洩漏，即信(xìn)号(hào)頻譜中(zhōng)各譜線(xiàn)之(zhī)间相互干(gàn)擾，能量(liàng)較低(dī)的(de)譜線(xiàn)容易被(bèi)臨近的(de)高(gāo)能量(liàng)譜線(xiàn)的(de)洩漏所(suǒ)淹沒(méi)。避免頻譜洩漏可(kě)以(yǐ)盡量(liàng)采集速率與(yǔ)信(xìn)号(hào)頻率同(tóng)步，延长(cháng)采集信(xìn)号(hào)时(shí)间及(jí)使用(yòng)适当的(de)窗(chuāng)函數。

• 电源噪聲測量(liàng)时(shí)不(bù)要求較高(gāo)的(de)采樣(yàng)率，所(suǒ)以(yǐ)可(kě)以(yǐ)設置很长(cháng)的(de)时(shí)基，这(zhè)也(yě)意(yì)味着采集的(de)信(xìn)号(hào)时(shí)间可(kě)以(yǐ)足夠长(cháng)，可(kě)以(yǐ)認为覆蓋到(dào)了整个(gè)有(yǒu)效信(xìn)号(hào)的(de)时(shí)间跨度(dù)，此时(shí)不(bù)需要添加窗(chuāng)函數。調整以(yǐ)上(shàng)設置可(kě)以(yǐ)得到(dào)比較準确的(de)FFT變(biàn)換曲線(xiàn)了，再通(tòng)过(guò)zoom功能查看(kàn)感(gǎn)兴趣的(de)頻點(diǎn)。

• 这(zhè)里(lǐ)对(duì)VRM的(de)性(xìng)能进行分(fēn)析，这(zhè)方(fāng)面(miàn)方(fāng)法(fǎ)衆多，此處(chù)主(zhǔ)要采用(yòng)仿真(zhēn)其(qí)反(fǎn)饋环(huán)路(lù)波(bō)特(tè)图(tú)的(de)手(shǒu)段(duàn)。主(zhǔ)要觀察幾(jǐ)个(gè)關(guān)鍵信(xìn)息：

• 1、穿越頻率，增益曲線(xiàn)穿越0dB線(xiàn)的(de)頻率點(diǎn);

• 2、相位(wèi)裕度(dù)，相位(wèi)曲線(xiàn)在(zài)穿越頻率處(chù)所(suǒ)对(duì)應(yìng)的(de)相位(wèi)值;

• 3、增益裕度(dù)，相位(wèi)在(zài)-360°时(shí)所(suǒ)对(duì)應(yìng)的(de)增益值。这(zhè)里(lǐ)我(wǒ)们(men)主(zhǔ)要關(guān)注穿越頻率和(hé)相位(wèi)裕度(dù)这(zhè)两(liǎng)个(gè)指标(biāo)。

• 上(shàng)述案(àn)例是(shì)使用(yòng)示波(bō)器FFT功能快(kuài)速定(dìng)位(wèi)电源问題(tí)的(de)过(guò)程，從这(zhè)个(gè)例子可(kě)以(yǐ)看(kàn)到(dào)示波(bō)器的(de)頻域分(fēn)析功能在(zài)电路(lù)調试时(shí)可(kě)以(yǐ)發(fà)挥很大(dà)作(zuò)用(yòng)。