當今大多數電子設計需要許多不同的電源電壓才能正常工作。事實上，給定電路中的許多組件都需要多個電壓。對于多種技術接口在一起的高度集成的片上系統和微處理器設計尤其如此。

由于多種因素，執行直流電源軌測量變得越來越困難：

電源效率功能，例如電源門控、動態電壓和頻率調節或 DVFS

具有快速瞬變的動態負載

串擾和耦合增加

具有更快上升時間的開關穩壓器

這就引出了一個重要的問題：面對所有這些挑戰，如何確保系統的每個部分獲得正確的電源來滿足其需求?

首先，讓我們從高層次來了解一下電源軌及其一些特性。

檢查每條直流線路以確定所提供的電源是否在目標系統或設備的容差范圍內非常重要。這包括線路的標稱直流值，以及存在的任何交流噪聲或耦合。電源軌信號中的交流噪聲可以進一步細分為寬帶噪聲、周期性事件和瞬態事件(圖 1)。

所有這三個噪聲源都會影響到達設備的電源質量，因此將這些噪聲源減少到目標設備可以正常運行非常重要。

在最大限度地減少這些噪聲源之前，您需要能夠看到它們并準確測量它們。但電源軌測量提出了一些獨特的測量挑戰，因此需要考慮以下幾點：

帶寬要求

系統噪聲和附加探頭噪聲

交流或直流輸入耦合的權衡

電源軌的負載挑戰

圖 1. 直流電源噪聲的組成部分。

帶寬

縱觀許多功率傳輸設計，幾十 MHz 的測量系統帶寬似乎就足夠了。大多數開關設計的開關頻率為數百 kHz 甚至幾 MHz。較大的物理設計和運行較高電源電壓的設備對噪聲不太敏感。因此，超過 20MHz 的噪聲含量很少是一個問題。

現在，隨著設計尺寸和電源電壓的縮小，公差也隨之而來。配電網絡更多地作為傳輸線環境進行分析，檢查交叉耦合、線路阻抗和諧振區域等內容(圖 2)。

同樣重要的是要記住，功率轉換器件的基本開關頻率可能相對較慢，但邊沿速度和上升時間通常要快得多，以幫助減少開關損耗。這些邊緣和其他干擾源會激勵配電網絡，從而產生更高頻率的噪聲和諧波。根據目標設備和電路的功能，這些高次諧波可能會干擾操作。選擇具有足夠帶寬的示波器和探頭來查看這些事件對于診斷與高頻干擾相關的問題至關重要。泰克提供 1 GHz 和 4 GHz 電源軌探頭來直接滿足這一需求。

圖 2. 通道 3(紅色跡線)是對電源軌的捕獲，該電源軌具有耦合到線路上的高頻干擾。如果該能量太大，可能會干擾設備的運行或造成損壞。

為正在進行的測量選擇正確的連接

圖 3. TPR4000 和 TPR1000 的模塊化連接器和焊接附件允許工程師為任何任務選擇正確的連接選項。

在評估電源軌探測解決方案時，請務必記住，與 DUT 的連接是獲得高質量測量的最大驅動因素。提供低電感接地路徑并具有最小有效電容的連接將減少振鈴并提供最大帶寬。這些連接實際上是通過焊入適配器和高性能連接器來實現的。當需要在計劃外的測試點上進行重復測試時，微型同軸電纜和柔性焊入適配器可提供與被測設備的半永久連接(圖 4)。

當工程師進行測試設計時，小型射頻連接器(例如泰克電源軌探頭附帶的 MMCX 電纜)可提供可重復且可靠的信號訪問。雖然這些連接提供了最佳的信號完整性，但它們并不總是很方便，因為它們需要在設計系統時修改目標設備或規劃測試點。為了更快、更方便地進行探測，可以使用瀏覽器和適配器。泰克提供 TPRBRWSR1G 供工程師在需要快速訪問帶寬高達 1 GHz 的信號時使用。隨附的小元件夾和方針適配器有助于更輕松地連接到測試點。

圖 4. TPR4SIAFLEX 焊入式適配器連接在 0402 去耦電容器上。

值得注意的是，大多數瀏覽器附件通常會降低系統的帶寬。例如，飛線方針適配器的有效帶寬通常不會超過幾百 MHz。添加夾子和其他連接輔助工具后，這種情況會進一步減少。

選擇連接方法時最后要考慮的是進行測試的環境。許多系統驗證工程師需要在極端溫度下測試設計。專門設計的極端溫度電纜和焊點(如 TPR4KITHT 中包含的焊點)可以處理 -55 至 +155C 的測試設備。

管理測量系統和環境噪聲

采取基線

由于工藝幾何尺寸縮小，電源電壓變得越來越小，因此需要進行低噪聲測量才能看到直流電源上存在的微小變化。此外，許多設計更加嚴格地關注電源完整性。這樣做的一個影響是每個電源的容差更嚴格。為了測量這一點，不僅示波器需要具有極低的噪聲才能看到這些事件，而且連接到示波器的任何探頭對測量的噪聲影響也應很小。測量設備添加的噪聲越少，所看到的信號就是設備的實際行為的可信度就越高。

對儀器和所連接的任何探頭進行基線噪聲測量可以讓用戶了解整個系統的噪聲性能。簡單測量(例如無信號時輸入端電壓的峰峰值和 RMS)是比較探測系統的附加噪聲的快速方法(圖 5)。

圖 5. 通道 1(黃色跡線)是沒有輸入的示波器通道，而通道 2(藍色跡線)是輸入短路的 TPR1000。請注意，在 1 GHz 帶寬下，探頭僅向示波器輸入添加 17 μV 的噪聲。

使用 10x 無源探頭進行電源軌測量有什么問題?

在查看各種信號時，高衰減探頭可提供很大的動態范圍，但與低衰減探頭相比，由于衰減，通常會引入更多的測量噪聲(圖 6)。這是因為信號除以衰減因子，使其更接近測量系統的本底噪聲。這可以通過計算信噪比 (SNR) 來顯示。

例如，如果我們選擇 10 mV 的輸入和 200 μV 的隨機噪聲規格(該規格可以在示波器的數據表上作為隨機噪聲找到，通常以 Vrms 為單位給出)，則 10x 探頭的 SNR 將為是

另一方面，低衰減 1.25x 探頭的 SNR 為

圖 6. 通道 2(藍色跡線)顯示傳統 10x 無源探頭的峰峰值噪聲為 157.1 mV，而在通道 1(黃色跡線)上使用 Tektronix TPR1000 電源軌探頭時噪聲峰峰值為 38.7 mV。

垂直刻度設置對噪聲性能的影響

儀器的噪聲性能隨垂直靈敏度設置而變化，較高的靈敏度范圍比較低的靈敏度范圍提供更好的噪聲性能。最大化屏幕上顯示的信號將為儀器提供更高的分辨率和更準確的信號表示。較低的垂直靈敏度范圍通常會使信號看起來比實際具有更多的峰值噪聲(圖 7)。

圖 7. 垂直尺度對測量的隨機噪聲的影響。兩個通道的輸入均未附加任何內容。通道 3 在 1 mV/div 時具有 521.2 μv 峰峰值噪聲，而通道 4 在 100 mV/div 時具有 8.953 mv 峰峰值噪聲。這大約是通道 4 上報告的噪聲的 17 倍。請注意，對于通道 4，8.953 mV 小于滿量程電壓的 1%。

其他降噪方法

泰克 4、5 和 6 系列 MSO 上的高分辨率等功能允許用戶通過使用超額采樣率生成更高分辨率的樣本來進一步降低噪聲。它通過基于當前采樣率應用獨特的有限脈沖響應 (FIR) 硬件濾波器來實現此目的。這些 FIR 濾波器在給定采樣率下保持可能的最大帶寬，同時抑制混疊。高分辨率模式具有實時運行的優點，因此可以進行瞬態事件和單次測量，這與其他波形平均方法不同。

選擇正確的示波器輸入耦合設置

為什么直流偏移對于測量電源軌來說是一個挑戰?

許多設計都具有大容量電源電壓，可通過各種 DC/DC 轉換器過濾至各種 IC 和系統所需的電源電壓。通常情況下，大容量電源電壓比 IC 所需電壓高很多倍。例如，車輛將 12 伏直流電壓轉換為運行信息娛樂和安全系統中的處理器所需的低于 1 伏電源電壓(圖 8)。

圖 8. 汽車信息娛樂系統供電系統圖。

數據中心通過 12、24 或 48 V 直流電源向服務器供電的情況也很常見，然后將其轉換為主板上的其他電源電壓。能夠查看從電源輸出到 IC 引腳的鏈條中的每個環節，有助于識別從其他電壓域傳輸的噪聲(圖 9)。

圖 9. 服務器供電系統圖。

因此，選擇能夠提供足夠偏移的探頭來查看供電網絡中正在測試的所有電源軌非常重要。這很困難，因為許多示波器前端根據所選的垂直靈敏度限制可用的偏移。因此，在每格電壓設置較低時，儀器的偏移量將較小。(上一節表明，選擇正確的垂直靈敏度范圍會對測量結果產生重大影響。)高衰減探頭通常具有更多的偏移能力，但如上所示，通常比低衰減探頭具有更多的噪聲。

通過使用示波器的交流耦合可以避免處理直流偏移，這樣可以消除信號的直流分量，但這也會掩蓋可能發生的任何低頻事件，例如電壓下降。

使用直流耦合模式查看低頻事件

如果可以將足夠的直流偏移添加到輸入信號中，直流耦合可以更全面地了解設備的行為，因為交流耦合會隱藏低頻信息，例如負載變化時的電壓線下降或蠕變(圖 10 )。電源軌探頭經過專門設計，可為示波器/探頭系統添加足夠的偏移范圍，以支持大多數電源軌上的直流耦合。TPR4000 和 TPR1000 具有 +/- 60V 的直流偏移，可滿足汽車、工業和數據中心應用中最常見的標準。

圖 10.

一些微處理器和電源管理 IC 采用節能功能，例如動態頻率和電壓調節，可根據工作負載改變直流電源電壓。這些特征很難用交流耦合模式下的儀器進行分析，因為儀器不顯示低頻信息(圖 11)。

圖 11. 隨著頻率增加而調整所需輸入電壓的器件示例。許多交流耦合濾波器會忽略步驟之間約 2 Hz 的頻率分量

最小化負載

探頭阻抗如何影響電源軌測量

為了進行電源完整性測量而探測電源軌的挑戰是選擇一種探測方法來查看直流電源上的高頻交流內容，同時還要注意不要對信號的直流部分施加過多負載，從而導致不準確或不準確。干擾設備操作。高阻抗探頭為直流情況提供最佳負載，但通常會產生過多的噪聲，或者沒有足夠的帶寬來查看感興趣的高頻事件，同時還會對信號進行直流耦合。50 Ω 傳輸線為電源軌上的高頻信號提供出色的負載，但可充當直流信號的低阻抗分壓器。

用于進行電源軌測量的理想探頭應在直流時提供非常高的電阻，在交流時提供 50 Ω 的傳輸線。泰克 TPR4000 和 TPR1000 電源軌探頭提供 50 kΩ 高直流電阻，并在較高頻率下過渡到 50 Ω。這提供了兩全其美的優點，并避免了其他探測選項的限制。

概括

隨著對電源完整性的需求不斷增加，電源軌分析將繼續成為工程師的重要工具。泰克 TPR4000 和 TPR1000 經過專門設計，可應對直流電源時面臨的獨特測量和連接挑戰。當與泰克示波器的捕獲和測量功能配合使用時，它們可為任何工程師提供出色的電源軌分析工具。

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審核編輯 黃宇