内容安排 ı 电源完整性及其重要性从 SI SIPI SIPI / EMC&EMI ı 电源完整性测试及面临的挑战 ır&s 电源完整性测试和 EMI 诊断方案 R&S 电源完整性专题 2

Size: px

Start display at page:

Download "内容安排 ı 电源完整性及其重要性从 SI SIPI SIPI / EMC&EMI ı 电源完整性测试及面临的挑战 ır&s 电源完整性测试和 EMI 诊断方案 R&S 电源完整性专题 2"

溆谚曹
5 years ago
Views:

1 应对电源完整性测试的挑战刘永刚罗德与施瓦茨公司示波器业务发展工程师

2 内容安排 ı 电源完整性及其重要性从 SI SIPI SIPI / EMC&EMI ı 电源完整性测试及面临的挑战 ır&s 电源完整性测试和 EMI 诊断方案 R&S 电源完整性专题 2

3 电源分布网络 (Power Distribution Network, 简称 PDN) PCB Board DC DC/DC 典型的电源路径数量 : SSD: 12+ RTO2K: 20+ Tablet: 24+ Network switch: ~56 Next gen mobile: ~100 电源完整性 (Power Integrity): 分析以确定从 DC 转换器的输出到芯片, 板卡和系统的直流电源的质量在系统工作时, 电源噪声能够得到有效控制, 并充分抑制芯片工作时引起的电压波动辐射和串扰为整个系统提供一个稳定可靠的电源分布网络 R&S 电源完整性专题 3

4 真实的直流电压信号 DC power Rail (1 V/div) R&S 电源完整性专题 4

5 电源完整性为什么越来越重要不断增加的电流要求更小的电源电压目的 : 尽可能的减少产品功耗 IC Density Tolerance Past Present 10% Voltages 1-5% Current Density 1-3% Past Present 5 V 3.3 V 1.8 V 1.2 V R&S 电源完整性专题 5

6 不同电路器件对供电电源的要求 Digital Load Analog Load Mixed Load 器件类型低端 FPGA 高端 FPGA DSP 存储器件运放混频器 RF 功放 ADC DAC PLL/VCO/CLK Tx/Rx 电源精度要求 5% 5% 5% 1-2% 5% 5% 5% 5% 5% 5% 2% 负载瞬态响应 5% 5% 3% 2% 取决于负载无严格要求取决于工作模式无严格要求无严格要求无严格要求取决于工作模式噪声敏感度低中低中高 >10KHz 高 DC-GHz 极高 DC-GHz 高 >100KHz 高 >100KHz 高 DC-GHz 高 DC-GHz 噪声 / 纹波量级 100mV 左右 20-50mV 50mV 左右 20-50mV 100uV 100uV 10uV 100uV-1mV 取决于分辨率 100uV-1mV 取决于分辨率 10uV-100uV 取决于性能等级 10uV- 100uV 取决于性能等级典型供电方案 Switcher Switcher Switcher Switcher Switcher+LDO Switcher+LDO or Filter Switcher or Filter Switcher Low noise high speed LDO Switcher+LD O or Filter Switcher Switcher+LD O or Filter Switcher ultra-low noise LDO Filter Switcher+L ow noise LDO+high BW LDO 噪声敏感等级低中高极高 R&S 电源完整性专题 6

7 电源完整性问题的影响 --- 影响 RF 系统相噪 Level 电源噪声 & 纹波 & 耦合到的干扰信号时钟信号受到干扰 Frequency Level f1 DC/DC or LDO Vdd VCO/CLK/PA f2 f1 f2 + f1 参考时钟 f1 f2 Frequency Level f2 Frequency R&S 电源完整性专题 7

8 电源完整性问题的影响 --- 影响数据链路的抖动 5.0V DC/DC or 3.3 V Vcc PLL ADCs LDO DACs 2.5 V DC/DC or LDO Clock Signal FPGAs 1.2 V DC/DC or LDO 电源引起的抖动可能遍布整个板上系统!!! Memory 1.8 V DC/DC or LDO more R&S 电源完整性专题 8

9 电源完整性问题的影响 --- 影响高速串行信号的眼图电源噪声干扰时钟判决门限导致高速串行数据信号抖动和幅度波动, 进而影响眼图 Jitter R&S 电源完整性专题 9

10 电源完整性问题带来的系统性能影响总结集成电路 IC 不能正常工作 - FPGAs, ASICs, ADCs, DACs, MCUs, DDR memory - IC 厂商规定输入电源指标及容限高速数据链路误码率的增加 ( 抖动及幅度波动 ) 高位 ADC 和 DAC 电路性能下降 ( 位数牺牲 ) EMI 干扰引起的性能下降 ( 如显示时钟及射频性能 ) R&S 电源完整性专题 10

11 电源完整性测试及挑战 ı 电源完整性的测试内容 ı 电源完整性测试与传统电源测试的区别 ı 电源完整性测试挑战 mv 级信号测试测试带宽偏置补偿 Tolerance Worst Case/PARD 测试 EMI 诊断分析 R&S 电源完整性专题 11

12 电源完整性的测试内容 --- 时域 Ι Tolerance 容限分析 ( 最坏情况分析 ) Ι Ι Ι PARD ( 周期和随机扰动噪声, 纹波和瞬态响应 ) 电源低频漂移静态和动态负载响应 R&S 电源完整性专题 12

13 电源完整性的测试内容 --- 频域 Ι Ι Ι 射频模块 / 组件引起的干扰 ( 例如 :WiFi 模块 ) 高速数字线路串入的干扰 ( 例如 :10MHz 晶振 PCB 走线 ) EMI R&S 电源完整性专题 13

14 与传统 SMPS 电源输出特性测试的主要区别项目传统 SMPS 电源输出特性测试电源完整性测试测试带宽 20MHz 高达 GHz PARD 范围几十至上百毫伏低至 mv Worst Case 敏感度中高高频 EMI 诊断要求中高 R&S 电源完整性专题 14

99 mv/div 1 mv/div 1.99 mv/div 50 mv/div 99.9 mv/div 20 mv/div 49.

15 电源完整性测试的主要挑战 ı 测试带宽的提升对示波器输入灵敏度的要求输 BNC 输输围 X10 头围 R&S RTO 50 Ω 1M Ω >= 10 mv/div >=100 mv/div Full BW 500MHz 5 mv/div 9.9 mv/div 2 mv/div 4.99 mv/div 1 mv/div 1.99 mv/div 50 mv/div 99.9 mv/div 20 mv/div 49.8 mv/div 10 mv/div 19.9 mv/div Full BW Full BW Full BW 500MHz 500MHz 500MHz R&S 电源完整性专题 15

16 电源完整性测试的主要挑战 ı mv 级宽带信号测试对高频 1:1 探头的要求传统 10:1 探头, 引入噪声干扰传统 1:1 探头, 无法测试高频信号 ( 即便设置到相同输入灵敏度 ) R&S 电源完整性专题 16

17 电源完整性测试的主要挑战 ı 偏置补偿能力的挑战 3.3 V 示波器自身的偏置补偿能力无法满足测试要求 R&S 电源完整性专题 17

18 电源完整性测试的主要挑战 ı 偏置补偿能力的挑战 DC Block 的局限性 USB 5V supply USB 5V supply Using Scope/Probe Offset Using a DC Block (misses DC and low frequency content) 电容值选取对带宽和频响的影响 DC Block 将电源上的低频漂移一起阻隔, 无法测试 R&S 电源完整性专题 18

19 电源完整性测试的主要挑战 ı 触发灵敏度对电源完整性测试的影响传统数字示波器触发灵敏度较低, 无法对小信号有效触发, 示波器仅能工作在 Auto 模式, 进行每秒 20 次左右的波形捕获. 在对小信号测试时检查一下您的示波器是否工作在触发状态!!! R&S 电源完整性专题 19

20 电源完整性测试的主要挑战 ı 触发灵敏度所导致的低测试波形捕获率对 Worst Case 和 PARD 测试的影响 ı 传统数字示波器在小信号状态下无法触发, 仅能工作在 Auto 模式 ı 在 Auto Mode 下无触发时, 示波器只能实现 20 次 / 秒左右的波形采集 ı 这种情况下测得的 Pk-Pk 和 RMS 值误差较大 ı 高可测试波形捕获率才能测得更真实的结果 R&S 电源完整性专题 20

21 电源完整性测试的主要挑战 ı 传统示波器 FFT 分析对 EMI 诊断的影响 ı 采集一次花费较长时间分析, 然后在进行采样, 进一步降低了波形捕获率, 无法满足瞬时频谱分析需要 ; ı 时域设置决定了频率分析范围, 无法灵活更改频域分析参数 ; ı 频域放大不能展示更多细节 ; ı 不可能进行频域触发和时频相关分析 R&S 电源完整性专题 21

Peak List 显示 ı R&S RT-ZPR20 专用电源测试探头 2GHz 1:1 衰减比业内最大

22 R&S 电源完整性测试及 EMI 诊断方案 ı R&S RTO/RTE 高性能示波器全带宽 1mV/div 输入灵敏度创新 16Bit HD 触发和采集系统基于 DDC 的准实时频谱分析能力频域模板触发及自动 Peak List 显示 ı R&S RT-ZPR20 专用电源测试探头 2GHz 1:1 衰减比业内最大 ±60V 偏置补偿能力 ±850mV 测试动态范围完备的探接前端 ı R&S HZ15 板级诊断近场探头 R&S 电源完整性专题 22

23 R&S 示波器全带宽 1mV/div 高输入灵敏度 ı RTO 系列示波器可实现高达 6GHz 1mV/div 输入灵敏度 ( 真正硬件档位 ) ı RTE 系列示波器可实现高达 2GHz 500uV/div 输入灵敏度 ( 真正硬件档位 ) R&S 电源完整性专题 23

24 R&S 示波器创新的触发和采集系统 ı 单核 ADC 实现极低的系统底噪 ı 数字触发系统实现超高触发灵敏度 ı 业内独具可对 uv 级信号进行直接触发和测量 50uV 信号触发测试实例 R&S 电源完整性专题 24

25 R&S 示波器超高触发灵敏度实现每秒高达百万次捕获独创 Free Run 模式提高极低噪声测试波形捕获率无触发 Auto 模式 (~20 wfm/s) Free Run 模式 (>10000 wfm/s) AC RMS:17.793uV, limit by number of sample AC RMS:19.934uV, More accurate R&S 电源完整性专题 25

26 R&S 示波器基于硬件 DDC 的准实时频谱分析能力 ı 频谱分析仪工作方式频域设置决定时域设置 ı 内置硬件数字下变频器 (DDC) 获得增强的频域分辨率选频和谱细化在 FFT 处理前完成 Time domain x(t) F s =2BW t Data acquisition HW Zoom (DDC) NCO LP Frequencydomain Dezimation Windowing FFT BW=f 2 -f 1 S(f) f 1 Display f 2 f Acquisition time T Df = 1/T R&S 电源完整性专题 26

27 R&S 示波器分段和 Overlap FFT 提高瞬态谱分析能力 Record length Record length = FFT Length FFT 1 1 FFT R&S 电源完整性专题 27

28 R&S 示波器分段和 Overlap FFT 提高瞬态谱分析能力 Record length Record length >> FFT Length FFT 1 FFT 2 ~440 FFTs FFT N 通过重叠 FFT 功能信号频谱出现的频度信息可见 ( 色温 ) 对短时辐射具有高灵敏度在一定程度上, 消除时域设置和频域设置的互锁 R&S 电源完整性专题 28

R&S 示波器频域模板触发快速捕获敏感频段干扰实现时域频域和协议层触发和多域联合调试 (

Signal in Time Domain Mask to detect Transient

Acquisition User can also make use of mask testing

29 R&S 示波器频域模板触发快速捕获敏感频段干扰实现时域频域和协议层触发和多域联合调试 ( 业内唯一同时支持在时域和频域多达八个区域触发设置 ) Mask to detect Transient Signal in Time Domain Mask to detect Transient Signal in Freq Domain Mask violation Stop Acquisition User can also make use of mask testing to capture spectral violation and correlate with Time. R&S 电源完整性专题 29

30 R&S 示波器高级频域分析 Spectrogram 三维频谱显示 ı 频域特征随时间的改变一目了然 Power vs. time Frequency vs. time Peak List 峰值列表显示功能 ı 自动频域峰值搜索和标记 Automatic labeling Threshold level for peak detection 对数 - 对数坐标 (Log-Log scaling) 频域参数自动测量 R&S 电源完整性专题 30

31 R&S RT-ZPR20 电源完整性测试专用探头 ı >2GHz 模拟带宽 ( 典型值 2.4GHz) 满足用户对高频纹波噪声和频谱测试需求一次连接, 完成时域和频域测试 ı 1:1 衰减比最小化系统底噪对测试的影响 ı 业内最高 ±60V 偏置补偿范围覆盖所有板上和通信电源测试需求 ı ±850mV 测试动态范围满足不同电源 PARD 测试需要 ı 内置独立 16bit 电压计一次连接, 同时实现高精度 DC 分量测试 R&S 电源完整性专题 31

32 R&S RT-ZPR20 电源完整性测试专用探头 ı 丰富的探接前端附件满足各种测试探接需求 Direct connect to SMA 50 Ω SMA coaxial solder-in 标配 Browser 前端点触式连接 R&S 电源完整性专题 32

33 R&S RT-ZPR20 电源完整性测试专用探头 ı ±60V 直流偏置补偿同时支持 DC AC 耦合完美兼顾宽压高灵敏度测试和低频漂移测试满足各种测试需求隔直电容减弱了低频干扰信号的观测能力利用 ZPR20 发现电源电压的低频变化 R&S 电源完整性专题 33

34 R&S RTO/RTE + RT-ZPR20 Power Rail Probe 一次探接完成时频域测试分析 V pp 测试与统计 2.4 GHz 内置独立 16bit 电压计实现高精度 DC 电压测试 Switching freq 1.9 GHz 高系统带宽协助快速发现高频耦合信号 R&S 电源完整性专题 34

Difficult to see on scopes with slower update rate.

35 R&S RTO/RTE + RT-ZPR20 Power Rail Probe 高达 1M wfm/s 波形捕获率 Fast update rate shows modulated signal on power rail. Difficult to see on scopes with slower update rate. Gives an indication that a freq domain view is needed R&S 电源完整性专题 35

36 R&S 示波器 EMI 诊断方案赢得行业认可 2015 DesignCon 最佳 EMI 诊断工具奖示波器全带宽 1mV/div 输入灵敏度及瞬时频谱分析能力, 配合 R&S HZ-15 近场探头, 实现板级 EMI 诊断 Hz-15 近场探头 R&S 电源完整性专题 36

37 R&S 其他高灵敏度探头 RT-ZP1X 1:1 38MHz 无源电压探头 RT-ZC30 1mA/div 120MHz 高灵敏度电流探头 R&S 电源完整性专题 37

38 R&S 示波器产品家族从经济型到高性能示波器 Best for power integrity RTO MHz 6 GHz Bandwidth HMO1002/ MHz 300 MHz HMO Compact 70 MHz 200 MHz Economy HMO MHz 500 MHz Scope Rider RTH MHz HANDHELD RTM MHz 1 GHz BENCH RTE MHz 2 GHz ZPR20 Power Rail Probe LAB Probes / Accessories / Software R&S 电源完整性专题 38

39 Thank You R&S 电源完整性专题 39

untitled

untitled Portable Electrode B91901070 B91901133 量 ECG 路更量路 performance RF 量路 Portable Electrode 便利量 portable electrode 路濾濾行 electrode 類 FM modulation scheme ECG 類數 RF RF demodulate 利 Elvis Labview ECG