电源完整性测试

电源完整性测试刘婷婷;邓豹;韩嫚莉【摘要】随着电子产品小型化以及复杂化的发展，电源完整性的设计已经成为了制约高速电路设计成败的关键因素之一.能够正确地测试到电源完整性参数对于产品调试来说是最根本、最重要的一部分.为了能够获取精确测试电源完整性参数，从测试设备以及被测物两个角度出发,结合原理分析以及建模仿真的方法，得出了电源完整性测试的正确方法，并且提供了测试步骤.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷)，期】2015(034)008【总页数】4页(P29-31,34)【关键词】高速电路;电源完整性;仿真设计;信号完整性【作者】刘婷婷;邓豹;韩嫚莉【作者单位】中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710065;中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710065;中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN41随着电子技术的飞速发展，电子元器件正朝着微型化、高集成度、多功能化、高功率密度的方向发展。后摩尔时代，集成电子器件的规模越来越大，一个芯片核中集成几十亿只晶体管，由此带来芯片的时钟频率不断提高，供电电压在不断降低，相应的功率和电流量级显著提高。供电电路的品质或者说电源完整性的测试与验证，正愈来愈成为影响设计成败的关键因素。本文将结合仿真分析的方法，介绍一种电源完整性的测试方法。电源完整性是指电源供给的准确性和稳定性。实际的电路设计中，由于晶体管的开关以及实际互连线的特性等原因导致电源在一定范围内波动。当实际供电值高于波动上限时，就会引起芯片工作的可靠性问题；当实际供电值低于下限时会导致芯片的工作性能降低甚至不能工作；当电压波动幅度较大时，可能会直接影响相关电路的信号质量［1］。基于上述这些问题，随着单板高速高密度的发展，电源完整性已经成为制约设计的一个重要因素。在硬件设计和调测过程中，必须首先保证电源电路高质量工作。高速电路的设计复杂性使得电源完整性的测试工作也变得很困难。电路中电源的可测试点繁多，对于只有几十毫伏的电源波动，不同的工程师也往往会得到不同的结果。因此如何采用正确的测试方法对电源完整性进行测试分析成为设计保证的前提。2.1电源测试的主要参数PCB板上实现的电源网络结构比较复杂，其中包括供电芯片、负载芯片、滤波电容、互连走线以及各部分的寄生参数等，电源网络的等效电路图如图1所示。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(VoltageRegulatorModule,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［2］，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［3］。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［4］。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［5］。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(AdvancedDesignSystem)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。在图4的6个测试点的仿真结果中，u1、u3是代表真实的源端、末端的电源噪声，这里作为参考；u2、u4是电源输出管脚或者负载电源管脚附近的滤波电容处的结果，从图中可以看出，这两点电压与实际电压差别非常大；u5、u6是电源输出管脚或者负载电源管脚附近的滤波电容焊盘处（未焊接电容器）的结果，从图中也可以看出这两点的电压与参考值基本一致。分析其原因，由于电源纹波噪声都是交流信号，从而电容器上面有电流留过，因此在电感上面会产生一定的压降；而当不焊接电容时，虽然有焊盘带来的电感，但是由于电感上无电流流过，因此焊盘处的电压值就等效于参考电压。通过上述的分析，对与电源测试点的选取，在测试电源纹波噪声时，可以在制作PCB（印制电路板）时预留专门的测试焊盘，也可以通过把单板上需要的测试点附近的某个电容器拆掉测试。2.3测量仪器的选择电源完整性的测试，需要根据其波动频率、低幅度等特性选择测试仪器。当需要测试电源的输出特性时：电源的输出噪声通常是由于MOS管的开关所引起的，而电源的开关频率通常都在20MHz以下，为了能够隔离负载的高频噪声以及测试引入的高频噪声，需要选择带宽较低（或可限制带宽）的示波器进行电源纹波测量。当需要测试负载芯片的输入电源特性时：由于负载芯片中，晶体管的开关速度及开关时刻不同，直接影响了负载噪声的带宽。为了能够真实地反映出芯片所感受到的电源纹波噪声，就需要根据芯片中信号的最高带宽来选择。随着工艺的不断进步，MOS管的开关速度也越来越快，信号的带宽也就相应地越来越宽，因此在测试负载噪声时一定要选择相应的测量仪器。在选择测试探头时，不但要注意探头的带宽与示波器相匹配，同时探头自身的特点会引入很多寄生参数，需要特别分析。通常测试电源会选用单端探头和同轴电缆。单端探头的等效图如图5所示，其主要特性有：探头中包含了一个pf级的电容以及MQ级的电阻，会引入寄生参数；探头的接地线一般比较长，并且没有与信号线紧耦合，会引入较大的回流电感；探头在测试时是用针头直接点在被测点的，测试的稳定度非常差，会引入额外的电源波动。同轴电缆的主要特性有：使用SMA等接头直接与示波器连接，与探头的连接方式相同；仅仅是一段线缆，与探头的电缆相当；没有引入额外的寄生参数；信号与地—直保持紧耦合状态；同轴电缆可以直接焊接在被测点上，稳定性非常好。通过两种探头的对比可以得出，为了保证测试的正确性和精度，选择同轴电缆更加可靠。2.4测试步骤综合以上对电源完整性测试的原理和测试设备的分析，下面以测试某FPGA的核电源的纹波噪声测试为例，电源纹波的测试方法和步骤如下：(1)准备示波器一台、同轴电缆若干、供电电源一个、被测单板若干。(2)把同轴电缆焊接到FPGA背面的滤波电容处，至少在此网络上面找3个点。搭好设备以及测试系统，让被测器件工作在最大负载电流的情况下。示波器设置：设置示波器工作在auto模式；设置示波器工作在AC模式或者设置被测通道的偏置为直流电压(如果已经接了隔直器可以省略此步骤)；设置示波器的电压幅度为mV级别(根据实际测试结果，目的是使得测试波形至少占满屏幕的80%)；设置示波器的时间为ms级别，以便能够捕捉到更全面的信息。把步骤(2)中选择的3个测试点上的测试结果取平均值即可做为测试结果。图6即为通过上述测试方法得到的测试波形。本文通过对电源配送网络进行详细剖析，并结合仿真验证的方法，确定了电源完整性的正确测试方法。通过正确地测试电源完整性的参数，可以真实地反映单板中电源的工作性能，从而能够更有力地判断其对于整个单板的工作性能、稳定性、可靠性等方面的影响，为实际高速电路的电源完整性测试提供帮助。刘婷婷(1986-)，女，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向：信号完整性分析、电源完整性分析。【相关文献】[1]SWAMINATHANM,ENGINAE.芯片及系统的电源完整性建模与设计[M].李玉山，张木水，等，译.北京：电子工业出版社，2008.[2]