利用電軌探棒評估電壓紋波和雜訊

作者 : Kenneth Wyatt,Wyatt Technical Services總裁兼首席顧問

使用一般10X、10MΩ被動探棒時,即使是短連接導線,仍然會引起較大的電感諧振和振鈴假訊號,這可能誤導設計人員。使用AC耦合時,低頻頻寬也嚴重受限。這些情況再加上測量的電壓軌遠超過示波器所能提供補償DC偏置電壓的能力,因而必須使用電軌探棒…

隨著供電電壓越來越低,在電源匯流排上精確測量電源紋波或「雜訊」變得越來越具挑戰性。電源轉換器的開關速度越快,對於當今電路提出的頻寬要求越高,設計人員就必須更加專注於整體電源的完整性,這些都使得情況變得更複雜。

目前,設計人員必須處理具有快速瞬態的動態負載、日益增加的串擾,以及上升時間更快的耦合和開關穩壓器等。因此,從EMI的角度來看,他們已經無法再接受高達100mV的紋波,因為這可能耦合共模電流至I/O和電源電纜,從而導致輻射發射。

重要的是必須關注於每一個DC電軌(power rail),確認所供應的電源是否位於目標系統或元件的容限頻段範圍。這包括線路的標稱DC值,以及存在任何AC雜訊或耦合。電軌中的AC雜訊可以進一步分為寬頻雜訊、週期性事件以及瞬態事件。

這三種雜訊源都影響著到達元件的電源品質,因而必須把這些雜訊源降低到能夠讓目標元件正常運作的程度。您必須可以看到並準確測量這些雜訊源,才能盡量將其降至最低。但電軌的測量帶來了多個獨特的測量挑戰,因此必須考慮以下幾項因素:

  • 頻寬要求
  • 系統雜訊和附加探棒雜訊
  • AC或DC輸入耦合的折衷
  • 電軌的負載挑戰

頻寬

在考慮許多功率傳送系統時,也可能對於僅幾MHz的頻寬進行測量,因為大多數電源轉換器最多從幾百kHz切換到3MHz。然而,這些開關訊號的上升時間只有幾奈秒或更快一些,這些快速邊緣一般會產生最多達到幾GHz寬頻的EMI。再加上快速瞬態訊號或其他耦合數位開關,電軌很容易就包含高達1GHz的諧波能量和瞬態訊號。

DC偏置和DC/AC耦合

大多數示波器的DC偏置有限,一般是±幾伏,以便讓顯示的波形位於螢幕中心,另外還取決於垂直設置。為產品供電的原始電壓範圍可能落在12~48V,具體視應用而定。這很容易會落在大多數示波器的DC偏置範圍之外。您可能會想,AC耦合可以解決這個問題,但這可能會犧牲低頻頻寬,其中一個例子是測量疏失,例如瞬態負載的電壓降。

某些微處理器和電源管理IC採用節電功能,如動態頻率和電壓調節,這些功能會根據工作負載改變DC供電電壓。由於儀器無法顯示低頻訊息,因此使用儀器在AC耦合模式下也很難分析這些功能。

10X被動探棒

在查看各種訊號時,高衰減被動探棒提供了優異的動態範圍,但由於衰減,與低衰減探棒相比,它通常會引入更多的測量雜訊。這是因為訊號除以衰減因數,驅動其更加靠近測量系統的雜訊層。因此,一般10X被動探棒的訊號雜訊比(SNR)遠遠高於阻抗較低的探棒。例如,10X被動探棒可能只有5:1的SNR,電軌探棒的SNR則約為40:1。

儀器的雜訊性能與垂直靈敏度設置成正比,靈敏度範圍越高,雜訊性能越好。螢幕上顯示的訊號達到最大化,將可提供更高的解析度,儀器顯示的訊號準確度也就越高。垂直靈敏度範圍較低,通常會使訊號本身顯現的峰值雜訊更高於實際水平。

電軌探棒

製造示波器的許多公司現在都增加了專門設計的專用電軌探棒,以準確測量低阻抗電軌電壓。理想的探棒在DC處會提供非常高的阻抗,在更高的AC頻率(一般在10~100kHz)處則變為50Ω阻抗。

為了實現這一點,探棒有兩條路徑:一是低頻放大器,可對DC和更低頻率提供DC偏置控制;另一條單獨的容性耦合路徑,則用於GHz級的更高頻率(圖1)。例如,Tektronix TPP1000 (1GHz頻寬)和TPR4000 (4GHz頻寬)電軌探棒都有+/- 60V DC偏置,可以處理42V峰值測量。Tektronix探棒從50kΩ開始,在頻率提高時變為50Ω。包括Keysight和Teledyne LeCroy等其他製造商,也提供了非常類似的探棒指標。

this is the block diagram for a power rail

圖1:典型的電軌方塊圖,顯示高頻路徑和低頻路徑。

測量實例

為了說明10X探棒和電軌探棒之間的差異,以及使任何連接電感達到最小的重要意義,我在時域和頻域中進行了多次測量比較。在每一種情況下,都會顯示其中一種開關瞬態訊號的振鈴,以及峰值對峰值(peak-to-peak)紋波測量和振鈴頻率。我也會展示所取得的頻域響應,顯示諧振振鈴頻率處的峰值,而其頻寬則為0~1GHz。

對於這些測量實例,在此採用Tektronix 6系列MSO (8GHz頻寬),以及TPP1000 10X被動探棒(1GHz頻寬)和TPR4000電軌探棒(4GHz頻寬)。此外還將使用內建Spectrum View頻譜視圖應用以顯示頻域資訊。

待測物(DUT)採用的是Efficient Power Conversion (EPC 9101展示電路板的1MHz buck GaN轉換器,提供1.2V輸出。該電路板裝載一個10Ω 2W電阻器。我們將直接在板上的輸出處進行測量。

一般10X被動探棒

第一項測量使用Tektronix TPP1000 (1GHz頻寬/10MΩ)以及典型的6英吋地線來進行(圖2)。

photo of a 10X passive probe measurement setup

圖2:這是使用一般10X被動探棒進行的電壓紋波測量設置。 6英吋地線將增加相當大的電感,導致明顯的紋波和振鈴。

screenshot of oscilloscope measurement results for a 10X passive probe

圖3: 使用被動探棒及長導線取得的測量結果。

看一下圖3中的時域波形(底部),其中振鈴是550mV p-p,振鈴頻率是214MHz。然而,您可以觀察到一個相對較大的第二諧波試圖通過(時域波形中的二級紋波)。頻譜畫面(頂部)顯示振鈴頻率上的諧振峰值和第二諧波分別是214MHz和433MHz。

在下一項測量作業中,我們將使用相同的10X被動探棒,但改為利用一條短地線夾到探棒接地上。請注意,儘管我們可以進行這樣的紋波和雜訊測量,但如果想在更高的電壓軌(如12~48V)上進行相同的測量,那麼還是會存在問題。

photo of a 10X passive probe measurement setup with short ground lead

圖4:使用10X被動探棒以及短地線的電壓紋波測量設置。

screenshot of oscilloscope measurement results for a 10X passive probe with leads

圖5:使用10X被動探棒以及短地線所取得的測量結果。

參考圖5中的時域波形(底部),可以看到振鈴現在下降到142mV p-p,振鈴頻率則是570MHz。頻譜畫面(頂部)顯示了振鈴頻率處的諧振峰值。

這說明了為什麼在測量瞬態波形或開關波形時盡可能降低連接電感如此重要。測量探棒中任何額外的連接電感都將會在測量中引入非常高的諧振假訊號,進而導致紋波和雜訊測量不準確。

電軌探棒

比較上面採用Tektronix TPR4000電軌探棒的2種測量,我們可以看到電感紋波和雜訊測量的差異非常大。我們將透過兩種方式連接轉換器電路板樣本;其中一種使用帶有短探棒接腳的手持式探棒(圖6),另一種則使用焊接式同軸電纜配件(圖8)。

photo of a power rail probe measurement setup with short tips

圖6:使用手持電軌探棒搭配短探針的電壓紋波測量設置。

screenshot of oscilloscope measurement results for the power rail probe

圖7:使用電軌探棒與短導線所取得的測量結果。

參考圖7中的時域波形(底部),我們看到振鈴現在進一步下降到70mV p-p,振鈴頻率則是520MHz。頻譜畫面(頂部)顯示了520MHz基礎頻率以及第一個次諧波頻率222MHz時的諧振峰值。

photo of the power rail probe measurement setup with the solder-in coax cable accessory

圖8:使用焊接式同軸電纜配件的電壓紋波測量建置。它透過MMCX連接器插入測量電纜中。

screenshot of oscilloscope measurement results of the power rail probe with the solder-in coax cable accessory

圖9:使用焊接式同軸電纜配件所取得的測量結果。

參考圖9中的時域波形(底部),可以看到振鈴大致相同,約為80mV p-p,振鈴頻率現在回到220MHz。頻譜畫面(頂部)顯示了基礎振鈴頻率220MHz和四階諧波頻率892MHz時的諧振峰值。

結語

70~80mV p-p的測量對於優質的工程設計實作仍然具有挑戰性,很容易就會耦合產品電纜,導致放射輻射問題。一般來說,我們希望紋波和雜訊不超過10mV,目標最好落在1mV。

此外,在使用一般10X、10MΩ被動探棒時,即使是短連接導線,仍然會引起較大的電感諧振和振鈴假訊號,這可能會誤導設計人員。在使用AC耦合時,低頻頻寬也嚴重受限。這些實際的情況再加上測量的電壓軌遠超過示波器所能提供補償DC偏置電壓的能力,因而必須使用新型的電軌探棒。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年10月號;參考原文: Assess voltage ripple and noise with power rail probes)

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