電源噪聲是電磁幹擾的一種
，其傳導噪聲的頻譜大致為10kHz~30MHz，最高可達150MHz。電源噪聲，特別是瞬態噪聲幹擾，其上升速度快
、持續時間短、電壓振幅度高
、隨機性強，對微機和數字電路易產生嚴重幹擾。

 

在電源噪聲的分析過程中，比較經典的方法是使用示波器觀察電源噪聲波形並測量其幅值
，據此判斷電源噪聲的來源。但是隨著數字器件的電壓逐步降低、電流逐 步(bu)升(sheng)高(gao)，電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)難(nan)度(du)增(zeng)大(da)
，需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)更(geng)加(jia)有(you)效(xiao)的(de)測(ce)試(shi)手(shou)段(duan)來(lai)評(ping)估(gu)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)。本(ben)文(wen)是(shi)使(shi)用(yong)頻(pin)域(yu)方(fang)法(fa)分(fen)析(xi)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)的(de)一(yi)個(ge)案(an)例(li)，在(zai)觀(guan)察(cha)時(shi)域(yu)波(bo)形(xing)無(wu)法(fa)定(ding)位(wei)故(gu)障(zhang)時(shi)，通(tong)過(guo) FFT（快速傅立葉變換）方(fang)法(fa)進(jin)行(xing)時(shi)頻(pin)轉(zhuan)換(huan)
，將(jiang)時(shi)域(yu)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)波(bo)形(xing)轉(zhuan)換(huan)到(dao)頻(pin)域(yu)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。電(dian)路(lu)調(tiao)試(shi)時(shi)，從(cong)時(shi)域(yu)和(he)頻(pin)域(yu)兩(liang)個(ge)角(jiao)度(du)分(fen)別(bie)來(lai)查(zha)看(kan)信(xin)號(hao)特(te)征(zheng)

，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)地(di)加(jia) 速調試進程。

 

 

在單板調試過程中發現一個網絡的電源噪聲達到80mv，已經超過器件要求，為了保證器件能夠穩定工作必須降低該電源噪聲。

 

在(zai)調(tiao)試(shi)該(gai)故(gu)障(zhang)前(qian)先(xian)回(hui)顧(gu)下(xia)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)抑(yi)製(zhi)的(de)原(yuan)理(li)。如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)，電(dian)源(yuan)分(fen)配(pei)網(wang)絡(luo)中(zhong)不(bu)同(tong)的(de)頻(pin)段(duan)由(you)不(bu)同(tong)的(de)元(yuan)件(jian)來(lai)抑(yi)製(zhi)噪(zao)聲(sheng)，去(qu)耦(ou)元(yuan)件(jian)包(bao)含(han)電(dian)源(yuan)調(tiao)整(zheng)模(mo)塊(kuai)（VRM）、去耦 電容、PCB電源地平麵對、器件封裝和芯片。VRM包含電源芯片及外圍的輸出電容，大約作用於DC到低頻段（100K左右）

，其等效模型是一個電阻和一個 電感組成的二元件模型。去耦電容最好使用多個數量級容值的電容配合使用
，充分覆蓋中頻段（數10K到100M左右）。由於布線電感和封裝電感的存在，即時 大量堆砌去耦電容也難以在更高頻起到作用。PCB電源地平麵對形成了一個平板電容，也具有去耦作用
，大約作用在數十兆。芯片封裝和芯片負責高頻段 （100M以上）
，目前的高端器件一般會在封裝上增加去耦電容，此時PCB上的去耦範圍可以降低到數十兆甚至幾兆。因此
，在電流負載不變的情況下，我們隻 yaopanduanchudianyazaoshengchuxianzainagepinduan，namezhenduizhegepinduansuoduiyingdequouyuanjianjinxingyouhuajike。zailianggequouyuanjiandexianglinpinduanshilianggequouyuanjianhuipeihezuoyong，suoyizaifenxiquouyuan 件臨界點時相鄰頻段的去耦元件也要同時納入考慮。

 

根據傳統電源調試經驗，首先在該網絡上增加了一些去耦電容
，增加電源網絡的阻抗餘量， 保證在中頻段的電源網絡阻抗都能滿足該應用場景的需求。結果紋波僅降低幾mV
，改善微乎其微。產生這個結果有幾個可能：1、噪聲處在低頻，並不在這些去耦 電容起作用的範圍內；2、增加電容影響了電源調節器VRM的環路特征
，電容帶來的阻抗降低與VRM的惡化抵消了。帶著這個疑問，我們考慮使用示波器的頻域 分析功能來查看電源噪聲的頻譜特性，定位問題根源。

 

 

示(shi)波(bo)器(qi)的(de)頻(pin)域(yu)分(fen)析(xi)功(gong)能(neng)是(shi)通(tong)過(guo)傅(fu)立(li)葉(ye)變(bian)換(huan)實(shi)現(xian)的(de)，傅(fu)立(li)葉(ye)變(bian)換(huan)的(de)實(shi)質(zhi)是(shi)任(ren)何(he)時(shi)域(yu)的(de)序(xu)列(lie)都(dou)可(ke)以(yi)表(biao)示(shi)為(wei)不(bu)同(tong)頻(pin)率(lv)的(de)正(zheng)弦(xian)波(bo)信(xin)號(hao)的(de)無(wu)限(xian)疊(die)加(jia)。我(wo)們(men)分(fen)析(xi)這(zhe)些(xie)正(zheng)弦(xian)波(bo)的(de)頻(pin)率(lv)
、fuzhihexiangweixinxi
，jiushijiangshiyuxinhaoqiehuandaopinyudefenxifangfa。shuzishiboqicaiyangdaodexulieshilisanxulie

，suoyiwomenzaifenxizhongzuichangyongdeshikuaisufuliyebianhuan（FFT）。 FFT算法是對離散傅立葉變換（DFT）算法優化而來，運算量減少了幾個數量級


，並且需要運算的點數越多，運算量節約越大。

 

示波器捕獲的噪聲波形進行FFT變換
，有幾個關鍵點需要注意。

 

1、根據耐奎斯特抽樣定律，變換之後的頻譜展寬（Span）對應與原始信號的采樣率的1/2，如果原始信號的采樣率為1GS/s，則FFT之後的頻譜展寬最多是500MHz
；

 

2
、變換之後的頻率分辨率（RBW Resolution Bandwidth）對應於采樣時間的倒數
，如果采樣時間為10mS
，則對應的頻率分辨率為100Hz；

 

3
、頻pin譜pu泄xie漏lou，即ji信xin號hao頻pin譜pu中zhong各ge譜pu線xian之zhi間jian相xiang互hu幹gan擾rao，能neng量liang較jiao低di的de譜pu線xian容rong易yi被bei臨lin近jin的de高gao能neng量liang譜pu線xian的de泄xie漏lou所suo淹yan沒mei。避bi免mian頻pin譜pu泄xie漏lou可ke以yi盡jin量liang采cai集ji速su率lv與yu信xin號hao頻pin率lv同tong步bu，延yan長chang采cai集ji信xin號hao時shi間jian及ji使shi用yong適shi當dang的de窗chuang函han數shu。

 

dianyuanzaoshengceliangshibuyaoqiujiaogaodecaiyanglv，suoyikeyishezhihenchangdeshiji
，zheyeyiweizhecaijidexinhaoshijiankeyizugouchang，keyirenweifugaidaolezhenggeyouxiaoxinhaodeshijiankuadu
，cishibuxu 要添加窗函數。調整以上設置可以得到比較準確的FFT變換曲線了，再通過zoom功能查看感興趣的頻點。如下圖中電源噪聲的主要能量集中在11.3KHz 左右，並以該頻率為基波頻率諧振。據此可以推斷本PDN網絡在11.3KHz處的阻抗不能滿足要求，電容在該頻點的阻抗也比較高
，起不到降低阻抗的作用， 所以前麵增加電容並不能減小電源噪聲。

 

一般來說，11.3KHz應該是VRM的管轄範圍

，此處出現較大噪聲說明VRM電路設計不能滿足 要求。這裏對VRM的性能進行分析，VRM分析的方法眾多，此處主要采用仿真其反饋環路波特圖的手段。波特圖主要觀察幾個關鍵信息：1

、穿越頻率，增益曲 線穿越0dB線的頻率點；2、相位裕度
，相位曲線在穿越頻率處所對應的相位值；3、增益裕度
，相位在-360°時所對應的增益值。這裏我們主要關注穿越頻 率和相位裕度這兩個指標。從VRM的環路波特圖（如下圖a）可以看到，VRM的穿越頻率在8KHz左右，相位裕度37度。這裏存在兩個問題：首先VRM的 相位裕度一般需要大於45度才能保證環路的穩定工作
，這裏相位裕度稍小一些，需要增加相位裕度
；其次穿越頻率太低

，穿越頻率附近VRM的調整作用逐漸降低，而此頻點bulk電容還起不到作用，所以在8KHz附近會存在較高的阻抗
，這個頻點的噪聲抑製作用較差。下圖（b）是優化VRM環路之後的波特圖，調整相位裕度到50度，穿越頻率推到46KHz左右。

 

 

對優化後的VRM驗證紋波，可以看到紋波明顯降低到33mv
，能夠滿足器件要求。

 

 

上述案例是使用示波器FFT功能快速定位電源問題的過程，從這個例子可以看到示波器的頻域分析功能在電路調試時可以發揮很大作用。示波器的FFT功能配合長存儲深度可以很方便地分析低頻率長周期信號，這個優勢在數字電路調試中比較突出。