Анализ шумов питания методом осциллографного анализа

питаниеШум является одним из видов электромагнитных помех, спектр проводимого шума составляет около 10 кГц ~ 30 МГц, высота до 150 МГц. Энергетический шумЗвуковые, особенно переходные шумовые помехи, скорость подъема, короткая продолжительность, высокая амплитуда колебаний напряжения, сильная случайность, микромашины и цифровые схемы подвержены серьезным помехам.

Применение анализа диапазона частот осциллографа при отладке питания

Об этом говорится в этой статье.ГодыприходитьОбеспокоенность электроэнергиейИзмерение шума источникаспроситьТема, имеет практическое обобщение опыта, подкрепленное измеренными случаями, имеет комбинацию симуляционного анализаА.
В процессе анализа шума источника питания более классическим методом является использование осциллографа для наблюдения формы шума источника питания и измерения его амплитуды, чтобы определить источник шума источника питания. Однако с постепенным снижением напряжения цифровых устройств и постепенным повышением тока конструкция источника питания становится все более сложной, и для оценки шума источника питания необходимо использовать более эффективные методы тестирования. Эта статья используетсяОдин случай, когда метод частотной области анализирует шум источника питания, при наблюдении за тем, что форма волны временной области не может найти неисправность, преобразование временной частоты с помощью метода FFT (быстрое преобразование Фурье), преобразование формы шумовой волны источника питания временной области в частотную область для анализа. При отладке схемы характеристики сигнала рассматриваются под углом временной и частотной областей соответственно, что может эффективно ускорить процесс отладки.

Во время отладки одной платы было обнаружено, что шум питания сети достигает 80 мВ, что превышает требования устройства, и для обеспечения стабильной работы устройства необходимо уменьшить шум питания.
Перед отладкой неисправности рассмотрим принцип подавления шума питания. Как показано на рисунке ниже, различные полосы частот в распределительной сети питания подавляются различными элементами, а развязывающие элементы включают модуль регулировки питания (VRM), развязывающую конденсаторную емкость, плоскость PCB питания, упаковку устройства и чип. VRM включает в себя электрический чип и выходную емкость периферии, которая действует примерно от DC до низкочастотного диапазона (около 100K), а ее эквивалентная модель представляет собой двухкомпонентную модель сопротивления и индуктивности. Асимметризированные конденсаторы относительно комбинируются с конденсаторами, использующими несколько порядковых значений, полностью покрывая диапазон средней частоты (от 10 К до 100 М). Из - за наличия индуктивности проводки и инкапсуляции, мгновенное массовое сложение развязывающих конденсаторов также трудно работать на более высоких частотах. Уровень питания PCB сталкивается с плоской конденсаторной поверхностью, которая также имеет развязку и действует примерно на десятки триллионов. Пакеты чипов и чипы отвечают за высокочастотный диапазон (более 100 м), и текущие устройства обычно добавляют к упаковке развязывающие конденсаторы, когда диапазон развязки на PCB может быть уменьшен до десятков или даже нескольких триллионов. Таким образом, при неизменной электрической нагрузке нам просто нужно определить, в каком диапазоне появляется шум напряжения, и оптимизировать связанные элементы, соответствующие этому диапазону. Два развязывающих элемента взаимодействуют в соседней полосе частот двух развязывающих элементов, поэтому при анализе критической точки развязывающего элемента необходимо учитывать и развязывающие элементы соседней полосы частот.

Основываясь на традиционном опыте отладки питания, сначала в сеть были добавлены некоторые развязывающие конденсаторы, чтобы увеличить запас сопротивления сети питания, чтобы гарантировать, что сопротивление сети питания в средней полосе частот может удовлетворить потребности сценария применения. В результате волны были снижены всего на несколько мВ, и улучшения были минимальными. Существует несколько возможностей для получения этого результата: 1, шум находится на низкой частоте и не находится в пределах действия этих развязывающих конденсаторов; Увеличение емкости влияет на характеристики кольца VRM регулятора питания, и снижение сопротивления, вызванное емкостью, компенсируется ухудшением VRM. С этим вопросом мы рассматриваем возможность использования функции анализа диапазона осциллографа, чтобы увидеть спектральные характеристики шума источника питания и определить источник проблемы.

Аналитическая функция осциллографа выполняется с помощью преобразования Фурье, суть которого заключается в том, что последовательность в любой временной области может быть представлена как бесконечное наложение синусоидальных сигналов на разных частотах. Анализ информации о частоте, амплитуде и фазе этих синусоидальных волн - это метод анализа, который переключает сигналы временной области в частотную область. Последовательности, отобранные цифровым осциллографом, являются дискретными последовательностями, поэтому мы обычно используем быстрое преобразование Фурье (FFT) в нашем анализе. Алгоритм FFT оптимизирован для алгоритма дискретного преобразования Фурье (DFT), количество операций уменьшается на несколько порядков, и чем больше точек требуется для операции, тем больше экономия на операции.
Форма шумовой волны, захваченная осциллографом, преобразуется в FFT, и есть несколько ключевых моментов, на которые необходимо обратить внимание.
В соответствии с законом выборки, устойчивым к Квесту, расширение спектра после преобразования (Span) соответствует 1 / 2 скорости выборки исходного сигнала, если скорость выборки исходного сигнала составляет 1 GS / s, то расширение спектра после FFT в основном составляет 500 МГц;
Частотная разрешающая способность после преобразования (RBW Resolution Bandwidth) соответствует обратному отсчету времени отбора проб, если время отбора проб составляет 10 мс, то частотная разрешающая способность составляет 100 Гц;
Утечка спектра, т.е. интерференция между спектральными линиями в сигнальном спектре, и более низкие спектральные линии могут быть легко затоплены утечкой из соседних высокоэнергетических спектральных линий. Избегая утечки спектра, можно синхронизировать скорость сбора с частотой сигнала, увеличить время сбора сигнала и использовать соответствующие оконные функции.
питаниеИзмерение шума не требует более высокой скорости отбора проб, поэтому может быть установлена длинная временная база, а это также означает, что время сбора сигнала может быть достаточно длинным, чтобы можно было считать, что он покрывает весь эффективный временной диапазон сигнала, и в это время не требуется добавление функции окна. Корректировка вышеуказанных параметров позволяет получить более точную кривую преобразования FFT, а затем просмотреть интересующие частотные точки с помощью функции zoom. Как показано на рисунке ниже, основная энергия шума питания сосредоточена около 11,3 кГц, и эта частота является резонансом базовой частоты. Из этого можно сделать вывод, что сопротивление этой сети PDN на 11,3 кГц не соответствует требованиям, сопротивление емкости в этой точке частоты также относительно высокое, не может уменьшить сопротивление, поэтому увеличение емкости спереди не уменьшает шум питания.
В целом, 11,3 кГц должен быть юрисдикцией VRM, где большой шум указывает на то, что конструкция схемы VRM не отвечает требованиям. Здесь анализируется производительность VRM, и существует множество методов анализа VRM, в основном с помощью моделирования его кольцевой карты Портера обратной связи. Карта Портера в основном наблюдает несколько ключевых сообщений: 1, частота пересечения, кривая усиления через частотную точку линии 0dB; Фазовый запас, значение фазы, соответствующее фазовой кривой в месте пересечения частоты; 3) запас усиления, значение усиления, соответствующее фазе при - 360 °. Здесь основное внимание уделяется двум показателям: частоте пересечения и фазовому запасу. Как видно из диаграммы Портера кольцевой линии VRM (на рисунке a ниже), частота пересечения VRM составляет около 8 кГц, а фазовый запас составляет 37 градусов. Здесь есть две проблемы: во - первых, фазовый запас VRM обычно должен быть больше 45 градусов, чтобы обеспечить стабильную работу кольца, здесь фазовый запас немного меньше, необходимо увеличить фазовый запас; Во - вторых, частота пересечения слишком низкая, эффект регулировки VRM вблизи частоты пересечения постепенно уменьшается, и емкость bulk этой частотной точки все еще не работает, поэтому около 8 кГц будет более высокое сопротивление, эта точка частоты имеет плохое подавление шума. На рисунке (b) ниже показана диаграмма Портера после оптимизации VRM - кольца, которая регулирует запас фазы до 50 градусов и перемещается по частоте около 46 кГц.

Для оптимизированных проверенных волн текстуры VRM можно увидеть, что они значительно снижены до 33 мВ, что соответствует требованиям устройства.

Вышеупомянутый случай представляет собой процесс быстрого определения проблемы питания с использованием функции осциллографа FFT, из которого видно, что функция анализа диапазона частот осциллографа может играть большую роль при отладке схемы. Функция FFT осциллографа в сочетании с длинной глубиной хранения может легко анализировать низкочастотные сигналы с длинным циклом, что является более заметным преимуществом при отладке цифровых схем.