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你還在找尋電源完整性測試須使用什麼儀器嗎? 此篇應用文章將推薦你適合用於電源完整性測試儀器
2023/4/4
一、背景介绍：
電子產品都離不開電源，而電源部件也是大多數電子產品故障的最主要原因。高速數位電路電源完整性精確測量一直是個難題，以前大部分研發單位和公司並不進行這些電源完整性參數的測量。但是，隨著數位信號速率的不斷提升，特別是提升到10Gbps 以上數量級後，電源完整性的測量成為關鍵測試專案之一，另外晶片和CPU 的供電電平也越來越小，使得它對電平的變化更加敏感。
對於高速數位電路和系統，電源完整性(PI)的研究物件是電源分配網路PDN（Power Distribution Network）。如Intel 公司致力於高性能、低功耗積體電路晶片(CPU、ASIC、SoC)的設計，其封裝均為BGA 封裝，管腳數多大1150 個，集成了DDR4、PCIe3 等高速通信介面，對電源完整性測試有較高要求。其AC 到DC 電源適配器供給主機板一個約16V 的直流電源，主機板上的電源分配網路要把這個16V 直流電源變成各種電壓的直流電源（如：±5V,+1.5V,+1.8V,+1.2V 等），給CPU 供電，給各個晶片供電。CPU 和IC 用電量很大，而且是動態耗電的，暫態電流可能很大，大到幾十甚至100多安培，也可能很小，小到低於1mA，但無論電流如何變化，電壓必須平穩（即紋波和雜訊必須較小），以保持CPU 和IC 的正常工作，這都對PDN 提出了苛刻的要求。我們常見的電腦藍屏現象，往往和電源完整性密切相關，傳統的方案有很多局限性，我們希望隨著Keysight 的優異方案的普及，電腦藍屏和其它電源完整性現象逐漸減少。
二、電源完整性時域分析-- 電壓紋波和雜訊測試
輸出電壓紋波是指疊加在直流電壓上的交流成分，是電源測試中的一個很重要的指標。開關電源的電壓紋波一般由開關電壓經電感電容濾波後產生（由開關頻率，輸入輸出電壓，拓撲結構，電感，電容決定），同時還受工頻電壓整流，干擾，負載波動等的影響。電壓紋波做為一個輸出電壓指標，要滿足後端元器件或設備使用要求。如果測試結果不滿足要求，一般需要增加濾波器件或者改變設計，造成項目成本的增加或交期延長。注意事項如下：
（1） 儘量使用示波器最靈敏的量程檔，以降低示波器本底雜訊
（2） 儘量使用AC 耦合
（3） 儘量使用小衰減比探棒(1:1)：N7020A, N2820A, N2870A；
（4） 儘量使用探棒的短底線，構成的環路面積盡可能小
（5） 儘量使用差分探棒
（6） 根據需要使用頻寬限制
（7） 儘量使用低雜訊、解析度高的示波器，如10 位元的S 系列示波器DSOS204A，見圖1
根據以上推薦，是德科技推出了在電源測量中也應該儘量使用1:1 的探棒而不是示波器標配的10:1 的探棒。否則示波器的雜訊也會被放大。目前N7020A 2GHz 1:1 單端有源探棒（見圖1），N2820A 500KHz~3MHz 3uV 最小可測信號探棒，N2870A 1:1 35MHz 無源探棒是最常被工程師認可的探棒，其中N7020A 是最適合電源完整性測試的探棒，可測量毫伏以及亞毫伏級的信號，N2870A 是最便宜的探棒，可測量10mV 或以上的信號，N2820A 是最精密的探棒，即可用作差分探棒，也可用作電流探棒，電壓測量範圍為3uV~1.2V，電流測量範圍為500nA~5A，但頻寬僅為500KHz~3MHz。
現在很多被測件要求測量出峰峰值為幾毫伏的紋波和雜訊，比如有些10Gbp 以上的SerDes 要求 3mV 峰峰值的電源紋波和雜訊。這時候最好用N7020A 來進行測量，它的直流阻抗為50K 歐姆，對於毫歐甚至更高阻抗級別的被測電源來說，負載影響很小，測試精度非常高。
三、電源完整性頻域分析: E5061B-3L5
電源完整性的測量物件是電源分配網路PDN。主要測量內容包括四部分：
• 紋波和雜訊的測量
• 輸出阻抗的測量
• 環路增益的測量
• 濾波器件（電容/磁珠等）性能參數的測量
除了紋波和雜訊的測量用示波器，剩下三點均可使用 Keysight桌上型網路分析儀E5061B-3L5。
1、輸出阻抗測量：
用網路分析儀測試毫歐級(Very low impedance in the high frequency range)的輸出阻抗，不能簡單的用1 port(一埠)測試方法，因為阻抗太小，反射太大。這時比較好的方法是用2 Ports(雙埠)測試方法(Port1-2Shunt)，如圖2 所示。測試時用S21 代替S11。該公式為Zdut=50xS21/(2x(1-S21))。
假設探測試電纜電感約為0，Z(DUT)遠小於Zo(VNA 埠阻抗)，PDN 輸出阻抗的計算公式如下：Z(DUT)=Z11=S21*25(ohm)。針對這種的特殊測量要求，是德科技向量網路分析儀E5061B 的選件3L5 可完成測試。
E5061B 低頻----射頻網路分析儀的選件 Opt 3L5 可以在從5Hz 至3GHz 的率範圍內提供常用的網路測量和分析功能。功能全面的低頻網路測量能力(包括內置的1MΩ輸入)都被完美地集成到這個高性能的射頻網路分析儀之中。E5061B-3L5 是研發環境中進行器件和電路測量的理想儀錶和工具，選件005提供阻抗參數和等效電路分析。其產品結構框圖如圖3 所示。
2、環路增益的測量
常見的穩定性測試主要有增益裕度、相位裕度、及延時裕度。E5061B-3L5 增益相位測試埠可以在從5Hz 到30MHz 的低頻測量範圍內直接把測試信號接入測量接收機。內置的1MΩ輸入使您能夠使用測量探頭輕鬆地對所測電路內的放大器和直流-直流轉換器的控制環路的參數進行測量。接收機埠可以精確地測量放大器的CMRR/PSRR 和PDN 毫歐量級的輸出阻抗，並且消除了測量中接地環路引入的測量誤差。其環路增益的測試框圖見圖4。網路分析儀在一定頻寬範圍內掃描，在LF 輸出口產生激勵信號，用Picotest 公司的注入變壓器J2100A（見圖5），注入環路的電壓比T/R，提供幅值和相位資訊，結果顯示為波特圖。這裡T、R 埠可用10x 的示波器探棒來探測增益和相位。
3、濾波器件（電容/磁珠等）性能參數的測量
2MHz 以下可用LCR 表E4980A 來測；30MHz 以下，可考慮是德科技E5061B-3L5 加005 選件，加上16047E 夾具來測， 如下圖6 所示； 5Hz~3GHz 的器件參數， 可配合16201A (N 轉 7mm +16192A+16195A）用反射測量法來測，見圖7。
四、直流源激勵部分<
是德科技推薦N6705C 主機+N6762A 模組（做為源）+N6781A 模組（作為負載）來搭建PSRR 電源晶片的測試系統，見圖8。若輸出功率大，也可考慮用N7900 做負載。
五、Keysight 電源完整性測試方案總結：<
1、示波器部分：精確電源紋波、雜訊
• DSOS204A 10 位解析度、高清晰度示波器：2 GHz，4 個類比頻道
• N7020A 2GHz 1:1 電源完整性探棒(2枝)
• N2870A 35MHz 1:1 無源探棒(2枝)
建議但非必要：N2820A 極小信號測試差分電壓和電流探棒(500nA 或3uV)
建議但非必要：N8833B-1FP 串擾分析軟體
2、網路分析儀部分：測輸出阻抗和環路增益
• E5061B-3L5(選件005，3L5)網路分析儀
• 1250-1250(x2), 15442A
• 85033E
• 11667L
• 8120-1840(x4)
• 16201A(Opt001),16195B
• 16092A,16192A(16192A/B/C/D,16197A 根據需要選擇）
• 16047E
3、直流源激勵部分
• N7900 系列先進電源系統
• N6705C 直流電源分析儀+N6762A 模組+N6781A SMU模組
【延伸閱讀- 如何執行最佳電源完整性量測 (應用文章) 】
電子產品都離不開電源，而電源部件也是大多數電子產品故障的最主要原因。高速數位電路電源完整性精確測量一直是個難題，以前大部分研發單位和公司並不進行這些電源完整性參數的測量。但是，隨著數位信號速率的不斷提升，特別是提升到10Gbps 以上數量級後，電源完整性的測量成為關鍵測試專案之一，另外晶片和CPU 的供電電平也越來越小，使得它對電平的變化更加敏感。
對於高速數位電路和系統，電源完整性(PI)的研究物件是電源分配網路PDN（Power Distribution Network）。如Intel 公司致力於高性能、低功耗積體電路晶片(CPU、ASIC、SoC)的設計，其封裝均為BGA 封裝，管腳數多大1150 個，集成了DDR4、PCIe3 等高速通信介面，對電源完整性測試有較高要求。其AC 到DC 電源適配器供給主機板一個約16V 的直流電源，主機板上的電源分配網路要把這個16V 直流電源變成各種電壓的直流電源（如：±5V,+1.5V,+1.8V,+1.2V 等），給CPU 供電，給各個晶片供電。CPU 和IC 用電量很大，而且是動態耗電的，暫態電流可能很大，大到幾十甚至100多安培，也可能很小，小到低於1mA，但無論電流如何變化，電壓必須平穩（即紋波和雜訊必須較小），以保持CPU 和IC 的正常工作，這都對PDN 提出了苛刻的要求。我們常見的電腦藍屏現象，往往和電源完整性密切相關，傳統的方案有很多局限性，我們希望隨著Keysight 的優異方案的普及，電腦藍屏和其它電源完整性現象逐漸減少。
二、電源完整性時域分析-- 電壓紋波和雜訊測試
輸出電壓紋波是指疊加在直流電壓上的交流成分，是電源測試中的一個很重要的指標。開關電源的電壓紋波一般由開關電壓經電感電容濾波後產生（由開關頻率，輸入輸出電壓，拓撲結構，電感，電容決定），同時還受工頻電壓整流，干擾，負載波動等的影響。電壓紋波做為一個輸出電壓指標，要滿足後端元器件或設備使用要求。如果測試結果不滿足要求，一般需要增加濾波器件或者改變設計，造成項目成本的增加或交期延長。注意事項如下：
（1） 儘量使用示波器最靈敏的量程檔，以降低示波器本底雜訊
（2） 儘量使用AC 耦合
（3） 儘量使用小衰減比探棒(1:1)：N7020A, N2820A, N2870A；
（4） 儘量使用探棒的短底線，構成的環路面積盡可能小
（5） 儘量使用差分探棒
（6） 根據需要使用頻寬限制
（7） 儘量使用低雜訊、解析度高的示波器，如10 位元的S 系列示波器DSOS204A，見圖1
根據以上推薦，是德科技推出了在電源測量中也應該儘量使用1:1 的探棒而不是示波器標配的10:1 的探棒。否則示波器的雜訊也會被放大。目前N7020A 2GHz 1:1 單端有源探棒（見圖1），N2820A 500KHz~3MHz 3uV 最小可測信號探棒，N2870A 1:1 35MHz 無源探棒是最常被工程師認可的探棒，其中N7020A 是最適合電源完整性測試的探棒，可測量毫伏以及亞毫伏級的信號，N2870A 是最便宜的探棒，可測量10mV 或以上的信號，N2820A 是最精密的探棒，即可用作差分探棒，也可用作電流探棒，電壓測量範圍為3uV~1.2V，電流測量範圍為500nA~5A，但頻寬僅為500KHz~3MHz。
現在很多被測件要求測量出峰峰值為幾毫伏的紋波和雜訊，比如有些10Gbp 以上的SerDes 要求 3mV 峰峰值的電源紋波和雜訊。這時候最好用N7020A 來進行測量，它的直流阻抗為50K 歐姆，對於毫歐甚至更高阻抗級別的被測電源來說，負載影響很小，測試精度非常高。
三、電源完整性頻域分析: E5061B-3L5
電源完整性的測量物件是電源分配網路PDN。主要測量內容包括四部分：
• 紋波和雜訊的測量
• 輸出阻抗的測量
• 環路增益的測量
• 濾波器件（電容/磁珠等）性能參數的測量
除了紋波和雜訊的測量用示波器，剩下三點均可使用 Keysight桌上型網路分析儀E5061B-3L5。
1、輸出阻抗測量：
用網路分析儀測試毫歐級(Very low impedance in the high frequency range)的輸出阻抗，不能簡單的用1 port(一埠)測試方法，因為阻抗太小，反射太大。這時比較好的方法是用2 Ports(雙埠)測試方法(Port1-2Shunt)，如圖2 所示。測試時用S21 代替S11。該公式為Zdut=50xS21/(2x(1-S21))。
假設探測試電纜電感約為0，Z(DUT)遠小於Zo(VNA 埠阻抗)，PDN 輸出阻抗的計算公式如下：Z(DUT)=Z11=S21*25(ohm)。針對這種的特殊測量要求，是德科技向量網路分析儀E5061B 的選件3L5 可完成測試。
E5061B 低頻----射頻網路分析儀的選件 Opt 3L5 可以在從5Hz 至3GHz 的率範圍內提供常用的網路測量和分析功能。功能全面的低頻網路測量能力(包括內置的1MΩ輸入)都被完美地集成到這個高性能的射頻網路分析儀之中。E5061B-3L5 是研發環境中進行器件和電路測量的理想儀錶和工具，選件005提供阻抗參數和等效電路分析。其產品結構框圖如圖3 所示。
2、環路增益的測量
常見的穩定性測試主要有增益裕度、相位裕度、及延時裕度。E5061B-3L5 增益相位測試埠可以在從5Hz 到30MHz 的低頻測量範圍內直接把測試信號接入測量接收機。內置的1MΩ輸入使您能夠使用測量探頭輕鬆地對所測電路內的放大器和直流-直流轉換器的控制環路的參數進行測量。接收機埠可以精確地測量放大器的CMRR/PSRR 和PDN 毫歐量級的輸出阻抗，並且消除了測量中接地環路引入的測量誤差。其環路增益的測試框圖見圖4。網路分析儀在一定頻寬範圍內掃描，在LF 輸出口產生激勵信號，用Picotest 公司的注入變壓器J2100A（見圖5），注入環路的電壓比T/R，提供幅值和相位資訊，結果顯示為波特圖。這裡T、R 埠可用10x 的示波器探棒來探測增益和相位。
3、濾波器件（電容/磁珠等）性能參數的測量
2MHz 以下可用LCR 表E4980A 來測；30MHz 以下，可考慮是德科技E5061B-3L5 加005 選件，加上16047E 夾具來測， 如下圖6 所示； 5Hz~3GHz 的器件參數， 可配合16201A (N 轉 7mm +16192A+16195A）用反射測量法來測，見圖7。
四、直流源激勵部分<
是德科技推薦N6705C 主機+N6762A 模組（做為源）+N6781A 模組（作為負載）來搭建PSRR 電源晶片的測試系統，見圖8。若輸出功率大，也可考慮用N7900 做負載。
五、Keysight 電源完整性測試方案總結：<
1、示波器部分：精確電源紋波、雜訊
• DSOS204A 10 位解析度、高清晰度示波器：2 GHz，4 個類比頻道
• N7020A 2GHz 1:1 電源完整性探棒(2枝)
• N2870A 35MHz 1:1 無源探棒(2枝)
建議但非必要：N2820A 極小信號測試差分電壓和電流探棒(500nA 或3uV)
建議但非必要：N8833B-1FP 串擾分析軟體
2、網路分析儀部分：測輸出阻抗和環路增益
• E5061B-3L5(選件005，3L5)網路分析儀
• 1250-1250(x2), 15442A
• 85033E
• 11667L
• 8120-1840(x4)
• 16201A(Opt001),16195B
• 16092A,16192A(16192A/B/C/D,16197A 根據需要選擇）
• 16047E
3、直流源激勵部分
• N7900 系列先進電源系統
• N6705C 直流電源分析儀+N6762A 模組+N6781A SMU模組
【延伸閱讀- 如何執行最佳電源完整性量測 (應用文章) 】