今天得内容给大家分享高速电路电源完整性测试的—电源输出特性及抗干扰测试。一起来看看吧。
DC-DC直流电源变换器由PWM脉冲宽度调制、电压反馈电路、外部整形滤波电路得到所需的电压。其中包含开关噪声在内的电源输出噪声，同时将影响高速数字电路电路的稳定性。特别是在功耗要求高，供电电压小的数字系统中，对电源输出噪声的测试十分必要。
纹波噪声是判断系统电源输出质量的重要指标。传统的电源及其纹波测试方法，对示波器与测试探头有以下要求：
1、示波器具备高垂直灵敏度的量程档，减小示波器底噪声对测试结果的影响，便于准确测试小信号；
2、使用1：1衰减比的探头，以及尽量短的探头接地回路；
3、采用差分探头，提高共模抑制比；
4、设定合适的带宽限制，降低测试系统的底噪声。
但是，在高速电路的电源系统中，基于功耗及半导体制造工艺的要求，电源供电电压更低，对纹波要求也会更小。此时应要供电的电路单元有：数字IC core电源、IO电源、数字接口电源等，该类电源的负载功耗、电压大小不同。在数字系统中，由电路板、电源滤波LC、芯片封装线、芯片内部电路引入的电源噪声频率会在几KHz到几GHz非常宽的频率范围内，所以应要在更宽的频率范围内测试电源噪声，而不单是传统的20MHz。
因此，在高速电路的电源纹波、噪声测试情况下，对测试设备提出了更高的要求：
1、小幅电源电压，IC core电压到1.2V或是更低；
2、电源对纹波、噪声的要求日渐严苛，例如2%的电压波动范围，纹波要求在5mV之内；
3、基于采用AC耦合将影响低频测试结果，应要同时测试直流电源及其纹波噪声；
4、要求测试设备在高垂直灵敏度时，具备大的直流偏置范围；
5、探头具备较大的输入阻抗，减小探头输入阻抗对电源幅度测试的影响；
6、应要分析高频电源噪声对信号的影响。
传统的电源纹波测试探头带宽低（一般有几十MHz），同时示波器在高垂直灵敏度档位情况下，不具备足够的直流偏置。但如果采用同轴电缆自制探头情况下，同样在示波器的高垂直灵敏度档位，直流偏置小，此时不可同时测试电源电压漂移与纹波噪声。如果采用50欧姆输入档，则低的输入阻抗会降低电源输出幅度，低电压时可能没有办法使用。Keysight推出的N7020A电源测试专用探头，搭配10bit 硬件ADC的S系列示波器，能够很好地满足高速电路中的电源纹波噪声的测试需求。
用N7020A探头配合S系列示波器做电源纹波噪声的优势如下所示：
1、N7020A衰减比为1:1，内部使用有源差分放大器，具备更高共模抑制比，搭配Keysight S系列示波器，限制500MHz带宽时，噪声<100uV rms ，下图所示的为这种测量方案是底噪声和传统测量方案的比较。
2、N7020A具备50k欧姆的DC输入阻抗，对比采用50欧姆同轴电缆测试方法，此方法对电源输出幅度影响非常小。
3、N7020A具备+/-24V的直流偏置范围，简单来说是能够将最大24V的直流信号拉回到示波器屏幕正中间同时采用最小的测量量程。传统的示波器由于在小量程下偏置范围具有限制，一定要采用AC耦合方式才可以准确测试纹波噪声，该类情况下就没有同时进行电源电压精度与偏移的测量。N7020A探头配合S系列示波器2mV的垂直灵敏度情况下，能够同时测试直流电源的偏移及其纹波、噪声。
4、+/-850mV的输入动态范围。搭配+/-24V的偏置范围，能够测试直流电源更大范围的输出变化，如芯片在工作模式与休眠模式供电电压的变化。
5、2GHz的测试带宽。满足电源高频噪声的测试需求。N7020A能够捕获到电源的高频串扰。从下图中能够看到，对比传统的1:1无源探头（大概只有几十MHz带宽），N7020A探头在提供更精确波形测量能力的同时还可以捕获到更多高频的电源噪声。
在电源纹波、噪声测试中，除了探头之外，示波器本身的带宽、底噪声的重要性一样不容忽视。Keysight S系列示波器是业内唯一高达8GHz带宽时，ADC分辨率为10bit的示波器。S示波器内部采用40GSa/s采样率，10bit分辨率的ADC采样芯片，在2mV/div灵敏度，500MHz带宽情况下，底噪声仅有74uV。S系列示波器带宽 从500MHz至8GHz可升级，其具备优秀的性能指标。
S示波器还具备一键式灵活的频谱分析功能，自动测试频谱峰值，便于分析电源的噪声频谱。对比于普通的8bit ADC分辨率的示波器，其具备更高的信噪比SNR与无杂散动态范围SFDR，SFDR达到约-75dBc。如下图所示是对1GHz正弦波做FFT变换的结果。
由以上可知，Keysight的S系列示波器与N7020A专用电源测试探头，为电源纹波、噪声的测试提供了业内领先的测试方案与性能，可以辅助工程师发现之前没有测试到的更多电源完整性问题。
开关电源性能及功率的测试分析
开关电源基于其效率高、经济性、体积小等特点，在电路供电单元中被广泛使用。跟随DC-DC开关电源集成度与效率的提高，在高速电路乃至便携式设备中应用也十分常见。下图是一些典型的开关电源。开关器件频率通常在10KHz-100KHz，为了提高电源效率，降低损耗，在便携设备中的开关频率会提高1MHz以上。
上述中提到的，能够采用Keysight S系列高分辨示波器与电源专用测试探头N7020A测试电源纹波及开关噪声。对于更全面的开关电源的参数与性能评估，可以搭配专门的开关电源分析软件。例如Keysight公司3000X、4000X、6000X等InfiniiVision系列示波器与S、9000A等Infiniium系列示波器配合软件选件。其主要完成的功能如下所示：
1、输入端测试：有功功率, 无功功率, 视在功率, 相位角, 功率因素, 波峰因子；最多40次谐波测试 (支持IEC61000-3-2 与 A,B,C,D，包括总谐波失真THD)等。
2、开关器件分析：包含开关损耗(功率和能量)、导通损耗(功率和能量)、信号变化速率(dV/dt 和 di/dt)、占空比、频率、 脉冲宽度(对比时间)、SOA安全工作区测量等。
3、输出端分析：主要测试项目有输出纹波、PSRR、瞬变响应、开启/关断时间等。
4、时滞校准：采用U1880A时滞校准夹具能够自动调整电流探头乃至电压探头的时间延时，以此保障准确的功率因子、效率及导通损耗测试。
5、最后，分析软件能够测量参数的输出测试报告。
注意：开关电源测试情况下，还应要依据电压与电流范围、带宽要求挑选合适的电压、电流探头，假设涉及到高压测试还应采用相应的高压差分探头。
电源系统抗干扰能力的测试
在很多可靠性要求较为严格的场合，应要验证被测设备对于供电电源的噪声与瞬态变化的抑制能力，以此来保障在恶劣环境下的可靠工作，这就需要可以在正常电源上模拟与施加干扰。
如下图所示是电源的噪声抑制能力测试系统，使用到了Keysight公司的直流电源、函数发生器81160A、高分辨率示波器等。在测试中采用了81150A或是81160A函数、任意波发生器在正常直流电源输出上叠加上噪声，同时使用高精度示波器检测被测供电电路输入和输出端的纹波变化情况。81150A或81160A函数发生器能够产生连续26天，波峰因数可调的高斯分布噪声，也可产生任意的电压跌落、变化波形，用于电源抗干扰能力的测试。
该类测试方案能够产生很高带宽的噪声、纹波，可由于81150A或81160A驱动能力的限制（约200mA），假设被测电源的输入阻抗很低，那么可能没有办法在被测设备的供电网络上产生足够高幅度的噪声干扰，这种情况下就要考虑使用带电源瞬变能力的供电电源。
Keysight N6705C直流电源分析仪是电源供电以及电源系统测试的独特解决方案。搭配N6781A/N6782A，N67XXA系列电源模块，能够便于完成电源瞬变测试以及芯片级的低功耗分析。这种方案的最大特点是把供电电源与电源瞬态变化功能集成在一体，除此之外还能够对输出的电压、电流进行记录。基于电源自身能够产生很大的功率，因此可以模拟产生很大的电源瞬态变化如电压跌落、异常供电波形等。可是由于功率器件的带宽都不高，所以具体能产生的瞬变信号的频率范围取决于具体使用的电源模块，大约在100Hz - 100KHz范围内。
N6705C电源分析仪的主要特点如下：
1、1至4路高性能电源输出；
2、数字电压表与电流表；
3、带功率输出的任意波形发生器；
4、电源波形示波器；
5、数据采集；
6、全部的测量与功能都能通过前面板实现。
N6705C的主机内还能够配置N6782A SMU（source/measure unit）模块，SMU的特点是不单可以作为电源输出，还能够作为负载，其两象限输出能力与快速负载响应能力使其适合在DC-DC变化器测试中同时作为源与负载完成测试。下图是用2个N6782A模块进行PMIC、LDO等电源转芯片测试的例子。
想要了解更多实用知识的伙伴们可在后台留言进行讨论！如果有其他有趣的内容可分享出来一起了解，更多型号资料可在后台留言获得。
DC-DC直流电源变换器由PWM脉冲宽度调制、电压反馈电路、外部整形滤波电路得到所需的电压。其中包含开关噪声在内的电源输出噪声，同时将影响高速数字电路电路的稳定性。特别是在功耗要求高，供电电压小的数字系统中，对电源输出噪声的测试十分必要。
纹波噪声是判断系统电源输出质量的重要指标。传统的电源及其纹波测试方法，对示波器与测试探头有以下要求：
1、示波器具备高垂直灵敏度的量程档，减小示波器底噪声对测试结果的影响，便于准确测试小信号；
2、使用1：1衰减比的探头，以及尽量短的探头接地回路；
3、采用差分探头，提高共模抑制比；
4、设定合适的带宽限制，降低测试系统的底噪声。
但是，在高速电路的电源系统中，基于功耗及半导体制造工艺的要求，电源供电电压更低，对纹波要求也会更小。此时应要供电的电路单元有：数字IC core电源、IO电源、数字接口电源等，该类电源的负载功耗、电压大小不同。在数字系统中，由电路板、电源滤波LC、芯片封装线、芯片内部电路引入的电源噪声频率会在几KHz到几GHz非常宽的频率范围内，所以应要在更宽的频率范围内测试电源噪声，而不单是传统的20MHz。
因此，在高速电路的电源纹波、噪声测试情况下，对测试设备提出了更高的要求：
1、小幅电源电压，IC core电压到1.2V或是更低；
2、电源对纹波、噪声的要求日渐严苛，例如2%的电压波动范围，纹波要求在5mV之内；
3、基于采用AC耦合将影响低频测试结果，应要同时测试直流电源及其纹波噪声；
4、要求测试设备在高垂直灵敏度时，具备大的直流偏置范围；
5、探头具备较大的输入阻抗，减小探头输入阻抗对电源幅度测试的影响；
6、应要分析高频电源噪声对信号的影响。
传统的电源纹波测试探头带宽低（一般有几十MHz），同时示波器在高垂直灵敏度档位情况下，不具备足够的直流偏置。但如果采用同轴电缆自制探头情况下，同样在示波器的高垂直灵敏度档位，直流偏置小，此时不可同时测试电源电压漂移与纹波噪声。如果采用50欧姆输入档，则低的输入阻抗会降低电源输出幅度，低电压时可能没有办法使用。Keysight推出的N7020A电源测试专用探头，搭配10bit 硬件ADC的S系列示波器，能够很好地满足高速电路中的电源纹波噪声的测试需求。
用N7020A探头配合S系列示波器做电源纹波噪声的优势如下所示：
1、N7020A衰减比为1:1，内部使用有源差分放大器，具备更高共模抑制比，搭配Keysight S系列示波器，限制500MHz带宽时，噪声<100uV rms ，下图所示的为这种测量方案是底噪声和传统测量方案的比较。
2、N7020A具备50k欧姆的DC输入阻抗，对比采用50欧姆同轴电缆测试方法，此方法对电源输出幅度影响非常小。
3、N7020A具备+/-24V的直流偏置范围，简单来说是能够将最大24V的直流信号拉回到示波器屏幕正中间同时采用最小的测量量程。传统的示波器由于在小量程下偏置范围具有限制，一定要采用AC耦合方式才可以准确测试纹波噪声，该类情况下就没有同时进行电源电压精度与偏移的测量。N7020A探头配合S系列示波器2mV的垂直灵敏度情况下，能够同时测试直流电源的偏移及其纹波、噪声。
4、+/-850mV的输入动态范围。搭配+/-24V的偏置范围，能够测试直流电源更大范围的输出变化，如芯片在工作模式与休眠模式供电电压的变化。
5、2GHz的测试带宽。满足电源高频噪声的测试需求。N7020A能够捕获到电源的高频串扰。从下图中能够看到，对比传统的1:1无源探头（大概只有几十MHz带宽），N7020A探头在提供更精确波形测量能力的同时还可以捕获到更多高频的电源噪声。
在电源纹波、噪声测试中，除了探头之外，示波器本身的带宽、底噪声的重要性一样不容忽视。Keysight S系列示波器是业内唯一高达8GHz带宽时，ADC分辨率为10bit的示波器。S示波器内部采用40GSa/s采样率，10bit分辨率的ADC采样芯片，在2mV/div灵敏度，500MHz带宽情况下，底噪声仅有74uV。S系列示波器带宽 从500MHz至8GHz可升级，其具备优秀的性能指标。
S示波器还具备一键式灵活的频谱分析功能，自动测试频谱峰值，便于分析电源的噪声频谱。对比于普通的8bit ADC分辨率的示波器，其具备更高的信噪比SNR与无杂散动态范围SFDR，SFDR达到约-75dBc。如下图所示是对1GHz正弦波做FFT变换的结果。
由以上可知，Keysight的S系列示波器与N7020A专用电源测试探头，为电源纹波、噪声的测试提供了业内领先的测试方案与性能，可以辅助工程师发现之前没有测试到的更多电源完整性问题。
开关电源性能及功率的测试分析
开关电源基于其效率高、经济性、体积小等特点，在电路供电单元中被广泛使用。跟随DC-DC开关电源集成度与效率的提高，在高速电路乃至便携式设备中应用也十分常见。下图是一些典型的开关电源。开关器件频率通常在10KHz-100KHz，为了提高电源效率，降低损耗，在便携设备中的开关频率会提高1MHz以上。
上述中提到的，能够采用Keysight S系列高分辨示波器与电源专用测试探头N7020A测试电源纹波及开关噪声。对于更全面的开关电源的参数与性能评估，可以搭配专门的开关电源分析软件。例如Keysight公司3000X、4000X、6000X等InfiniiVision系列示波器与S、9000A等Infiniium系列示波器配合软件选件。其主要完成的功能如下所示：
1、输入端测试：有功功率, 无功功率, 视在功率, 相位角, 功率因素, 波峰因子；最多40次谐波测试 (支持IEC61000-3-2 与 A,B,C,D，包括总谐波失真THD)等。
2、开关器件分析：包含开关损耗(功率和能量)、导通损耗(功率和能量)、信号变化速率(dV/dt 和 di/dt)、占空比、频率、 脉冲宽度(对比时间)、SOA安全工作区测量等。
3、输出端分析：主要测试项目有输出纹波、PSRR、瞬变响应、开启/关断时间等。
4、时滞校准：采用U1880A时滞校准夹具能够自动调整电流探头乃至电压探头的时间延时，以此保障准确的功率因子、效率及导通损耗测试。
5、最后，分析软件能够测量参数的输出测试报告。
注意：开关电源测试情况下，还应要依据电压与电流范围、带宽要求挑选合适的电压、电流探头，假设涉及到高压测试还应采用相应的高压差分探头。
电源系统抗干扰能力的测试
在很多可靠性要求较为严格的场合，应要验证被测设备对于供电电源的噪声与瞬态变化的抑制能力，以此来保障在恶劣环境下的可靠工作，这就需要可以在正常电源上模拟与施加干扰。
如下图所示是电源的噪声抑制能力测试系统，使用到了Keysight公司的直流电源、函数发生器81160A、高分辨率示波器等。在测试中采用了81150A或是81160A函数、任意波发生器在正常直流电源输出上叠加上噪声，同时使用高精度示波器检测被测供电电路输入和输出端的纹波变化情况。81150A或81160A函数发生器能够产生连续26天，波峰因数可调的高斯分布噪声，也可产生任意的电压跌落、变化波形，用于电源抗干扰能力的测试。
该类测试方案能够产生很高带宽的噪声、纹波，可由于81150A或81160A驱动能力的限制（约200mA），假设被测电源的输入阻抗很低，那么可能没有办法在被测设备的供电网络上产生足够高幅度的噪声干扰，这种情况下就要考虑使用带电源瞬变能力的供电电源。
Keysight N6705C直流电源分析仪是电源供电以及电源系统测试的独特解决方案。搭配N6781A/N6782A，N67XXA系列电源模块，能够便于完成电源瞬变测试以及芯片级的低功耗分析。这种方案的最大特点是把供电电源与电源瞬态变化功能集成在一体，除此之外还能够对输出的电压、电流进行记录。基于电源自身能够产生很大的功率，因此可以模拟产生很大的电源瞬态变化如电压跌落、异常供电波形等。可是由于功率器件的带宽都不高，所以具体能产生的瞬变信号的频率范围取决于具体使用的电源模块，大约在100Hz - 100KHz范围内。
N6705C电源分析仪的主要特点如下：
1、1至4路高性能电源输出；
2、数字电压表与电流表；
3、带功率输出的任意波形发生器；
4、电源波形示波器；
5、数据采集；
6、全部的测量与功能都能通过前面板实现。
N6705C的主机内还能够配置N6782A SMU（source/measure unit）模块，SMU的特点是不单可以作为电源输出，还能够作为负载，其两象限输出能力与快速负载响应能力使其适合在DC-DC变化器测试中同时作为源与负载完成测试。下图是用2个N6782A模块进行PMIC、LDO等电源转芯片测试的例子。
想要了解更多实用知识的伙伴们可在后台留言进行讨论！如果有其他有趣的内容可分享出来一起了解，更多型号资料可在后台留言获得。
