判定电源品质是否满足要求的标准简单直接,可以直接测试电源信号的直流电平与噪声波动总和满足芯片要求的最大/最小范围。虽然判定标准很简单,真实地测试到电源信号却很困难。按照工程实际经验,电源测试主要是纹波噪声和直流压降两部分。直流压降的测试是通常工作的惯例相对容易实现,以下将主要介绍电源纹波噪声的测试。 理想的供电系统中所提供的电压是一个恒定的值,但在实际单板内,电源是围绕这个恒定随时间波动着的,这就是电源纹波噪声。从图1所示的电压调节模块(Voltage Regulator Module,VRM)端开始分析,线性电源其本身引入的噪声并不大;对于开关电源而言,由于MOS管的开和关都是时间的时常数,会引入一个与开关频率相对应的电压波动,这个波动就是电源纹波(如图2所示)。对于负载芯片而言,目前的大规模集成电路中包含了大量的晶体管,而这些晶体管的开关时刻以及开关速度也有所不同,负载的电流噪声就变得很复杂,在相应的频段就会产生相应的电源波动;除此之外,相邻电源平面之间的相互干扰也会引起电源的波动。上述内容就构成了电源噪声,如图2所示。通过以上对电源的分析可以看出,不同电路电源纹波噪声的测试比较困难,下面将详细分析并介绍电源纹波的测试方法。
2.2 测试点的选取
理想情况下,整个电源平面的电压值都是相同的。但是由于衰减、距离噪声源的远近、滤波电路放置等原因,电源输出端和负载输入端的纹波噪声是有一定差别的。如果要测试电源芯片输出特性,那就直接在电源芯片输出电容附近进行测试;如果要测试负载芯片的输入电源特性时,那就一定是要在距离负载芯片管脚最近的地方进行测试。
尽管范围已经缩小,但是电源网络在单板上面的可测试点还是很多,不同的人会选取不同的方案,如电源模块的输出点、滤波电容、上拉电阻、用电芯片的电源管脚等。参与过实际测试的工程师会发现每个测试点的测试结果都会有一定差别,有时差别会非常大,那么哪个点的测试结果是最真实的需要详细探究。通过信号完整性的一般知识可知,一般上拉电阻都是作为数字信号的匹配器件使用,因此与其相连的数字信号链路会对这个电源造成一定的影响,无法作为芯片供电的测试点;电源输出管脚以及负载芯片的用电管脚通常因封装焊接等因素而无法测试到。综上,应该选取滤波电容作为电源测试点使用。但是单板中的滤波电容非常多,且分布的区域较大,具体测试点的选取需要通过仿真来确定。
本文使用安捷伦公司的ADS(Advanced Design System)进行仿真,以恒流源代替供电、以交流电流源代替负载,中间的供电通道采用RLC等效电路代替,如图3所示。通过电路中的等效测试点,对比各个点测试的差异。图4为电源测试点选取仿真分析结果。