오실로그래프 주파수 분석 방법을 교묘하게 사용하여 전원 소음을 분석하다.

전원노이즈는 전자기 간섭의 일종으로, 노이즈를 전도하는 스펙트럼은 대체로 10kHz~30MHz이며, 높은 것은 150MHz에 달한다.전원 노이즈소리, 특히 순간적인 소음 교란은 상승 속도가 빠르고 지속 시간이 짧으며 전압 진폭이 높고 임의성이 강하여 마이크로컴퓨터와 디지털 전기 루이스에 심각한 교란을 일으킨다.

오실로그래프 주파수 영역 분석이 전원 디버깅에서의 응용

이 글은 이렇게 언급하였다.다년간오다주목받는 전기소스 노이즈 측정묻다문제, 실용적인 경험 총결, 실측 사례 증명, 모방 분석 결합。
전원 소음을 분석하는 과정에서 비교적 고전적인 방법은 오실로그래프를 사용하여 전원 소음의 파형을 관찰하고 그 폭을 측정하여 전원 소음의 출처를 판단하는 것이다.그러나 디지털 부품의 전압이 점차 낮아지고 전류가 점차 높아짐에 따라 전원 설계의 난이도가 높아져 더욱 효과적인 테스트 수단을 사용하여 전원 소음을 평가해야 한다.이 문서는 사용주파수 영역 방법은 전원 소음의 한 사례를 분석하는데, 관찰 시역 파형이 고장을 찾을 수 없을 때 FFT(빠른 부립엽 변환) 방법을 통해 시주파수 변환을 하고, 시역 전원 소음 파형을 주파수 영역으로 변환하여 분석한다.회로 디버깅 시 시역과 주파수역 두 각도에서 각각 신호 특징을 보면 디버깅 과정을 효과적으로 가속화할 수 있다.

단판 디버깅 과정에서 한 네트워크의 전원 소음이 80mv에 달하여 이미 부품의 요구를 초과한 것을 발견하였으며, 부품이 안정적으로 작동할 수 있도록 반드시 이 전원 소음을 낮춰야 한다.
이 오류를 디버깅하기 전에 전원 소음 억제의 원리를 살펴보십시오.다음 그림에서 볼 수 있듯이, 전원 분배 네트워크의 서로 다른 주파수 대역은 서로 다른 부품으로 소음을 억제하며, 디커플링 부품은 전원 조정 모듈 (VRM), 디커플링 용량, PCB 전원 지평 대면, 부품 패키징 및 칩을 포함한다.VRM은 전원 칩과 외곽의 출력 용량을 포함하고 있으며 DC에서 저주파 대역 (100K 정도) 에 약 작용하며 그 동등한 모델은 저항과 감각으로 구성된 2소자 모델이다.디커플링 용량은 상대적으로 여러 개의 수량급 용량의 용량을 사용하여 함께 사용해야 하며, 중간 주파수 대역 (수 10K~100M 정도) 을 충분히 커버한다.배선 감지와 패키징 감지의 존재로 인해 즉시 대량의 분리 용량을 쌓는 것도 더 높은 주파수에서 작용하기 어렵다.PCB 전원 지평은 평판 용량을 형성하고 있으며, 약 수십 메가바이트에 작용하는 디커플링 작용도 한다.칩 패키지와 칩은 고주파수 대역 (100M 이상) 을 담당하는데, 현재의 부품은 일반적으로 패키지에 디커플링 용량을 추가하는데, 이때 PCB의 디커플링 범위는 수십 메가바이트 심지어 몇 메가바이트로 낮아질 수 있다.따라서 전류 부하가 변하지 않는 상황에서 우리는 전압 소음이 어느 주파수 대역에 나타나는지 판단하기만 하면 이 주파수 대역에 대응하는 디커플링 소자에 대해 최적화하면 된다.두 디커플링 컴포넌트의 인접 주파수 대역에서는 두 디커플링 컴포넌트가 함께 작동하므로 디커플링 컴포넌트의 임계점을 분석할 때 인접 주파수 대역의 디커플링 컴포넌트도 함께 고려해야 합니다.

전통적인 전원 디버깅 경험에 근거하여, 우선 이 네트워크에 일부 디커플링 용량을 추가하고, 전원 네트워크의 임피던스 여유를 증가시켜 중간 주파수 대역의 전원 네트워크 임피던스가 모두 이 응용 장면의 수요를 만족시킬 수 있도록 보장한다.그 결과 문파가 몇 mV만 낮아져 개선이 미미했다.이 결과가 발생하는 데는 몇 가지 가능성이 있다: 1. 소음은 저주파에 처해 있으며, 이러한 디커플링 용량이 작용하는 범위 내에 있지 않다;2. 커패시터 증가는 전원 조절기 VRM의 루프 특징에 영향을 주었고, 커패시터로 인한 임피던스 감소는 VRM의 악화와 상쇄되었다.이 의문을 가지고 우리는 오실로스코프의 주파수 분석 기능을 사용하여 전원 소음의 스펙트럼 특성을 확인하고 문제의 근원을 찾는 것을 고려합니다.

오실로그래프의 주파수 분석 기능은 부립엽 변환을 통해 이루어진 것이다. 부립엽 변환의 실질은 어느 시역의 서열이든 서로 다른 주파수의 정현파 신호의 무한 중첩으로 표시할 수 있다.우리는 이러한 정현파의 주파수, 폭, 위상 정보를 분석하는데, 바로 시역 신호를 주파수 영역으로 전환하는 분석 방법이다.디지털 오실로스코프에서 샘플링된 시퀀스는 이산 시퀀스이므로 분석에서 일반적으로 빠른 부립엽 변환 (FFT) 을 사용합니다.FFT 알고리즘은 이산 부립엽 변환 (DFT) 알고리즘을 최적화한 것으로, 연산량이 몇 개의 수량 레벨을 줄였고, 연산이 필요한 포인트가 많을수록 연산량 절약이 커졌다.
오실로스코프가 캡처한 노이즈 파형은 FFT 변환을 위해 몇 가지 중요한 점이 있습니다.
1. 내규스트 표본 추출 법칙에 따르면, 변환 후의 스펙트럼 너비 (Span) 는 원시 신호의 샘플링 비율의 1/2에 대응하며, 원시 신호의 샘플링 비율이 1GS/s이면 FFT 이후의 스펙트럼 너비는 최대 500MHz이다;
2. 변환된 주파수 해상도(RBW Resolution Bandwidth)는 샘플링 시간의 카운트다운에 해당하며, 샘플링 시간이 10mS이면 100Hz의 주파수 해상도에 해당합니다.
3. 스펙트럼 누출, 즉 신호 스펙트럼 중 각 스펙트럼 선 사이가 서로 간섭하고, 에너지가 비교적 낮은 스펙트럼 선은 가까운 고에너지 스펙트럼 선의 누출에 쉽게 잠긴다.스펙트럼 누출을 피하면 가능한 한 채집 속도와 신호 주파수를 동기화하여 채집 신호 시간을 연장하고 적당한 창 함수를 사용할 수 있다.
전원노이즈 측정 시 높은 샘플링 비율을 요구하지 않기 때문에 매우 긴 타임베이스를 설정할 수 있습니다. 이는 채집된 신호 시간이 충분히 길 수 있다는 것을 의미하며, 전체 유효 신호의 시간 범위에 덮여 있다고 생각할 수 있습니다. 이때 창 함수를 추가할 필요가 없습니다.위의 설정을 조정하면 비교적 정확한 FFT 변환 곡선을 얻을 수 있으며, 다시 zoom 기능을 통해 관심 있는 주파수를 볼 수 있다.다음 그림에서 전원 노이즈의 주요 에너지는 11.3KHz 정도에 집중되어 있으며, 이 주파수를 기파 주파수 공명으로 한다.이에 근거하여 본 PDN 네트워크의 11.3KHz에서의 임피던스는 요구를 만족시킬 수 없으며, 이 주파수 지점에서의 커패시터의 임피던스도 비교적 높아 임피던스를 낮추는 역할을 하지 못하기 때문에 앞에서 커패시터를 늘리면 전원 소음을 줄일 수 없다고 추정할 수 있다.
일반적으로 11.3KHz는 VRM의 관할 범위여야 하는데, 여기서 큰 소음이 발생하는 것은 VRM 회로 설계가 요구 사항을 충족시키지 못한다는 것을 의미한다.여기에는 VRM의 성능을 분석하는데 VRM이 분석하는 방법이 매우 많은데 여기에는 주로 그 피드백 루프 포트맵을 모방하는 수단이 사용된다.포트맵은 주로 몇 가지 핵심 정보를 관찰한다: 1. 통과 주파수, 이득 곡선이 0dB선을 통과하는 주파수점;2. 위상 여유, 위상 곡선이 통과 주파수에서 대응하는 위상 값;3. 이득 여유, 위상이 -360 ° 일 때 대응하는 이득 값.여기서 우리는 주로 통과 빈도와 위상 여유라는 두 가지 지표에 주목한다.VRM의 루프 포터 맵 (아래 그림 a) 을 보면 VRM의 통과 주파수는 8KHz 정도이고 위상 여유는 37도이다.여기에는 두 가지 문제가 존재한다: 우선 VRM의 위상 여유는 일반적으로 45도보다 커야 루프의 안정적인 작업을 보장할 수 있다. 이곳은 위상 여유가 약간 작아 위상 여유를 늘려야 한다.둘째, 통과 주파수가 너무 낮고, 통과 주파수 부근의 VRM의 조정 작용이 점차 낮아지는데, 이 주파수 지점의 bulk 용량은 아직 작용하지 못하기 때문에 8KHz 부근에서 비교적 높은 저항이 존재할 수 있으며, 이 주파수 지점의 소음 억제 작용은 비교적 떨어진다.아래 그림 (b) 은 VRM 루프에 최적화된 포터 그림으로 위상 여유를 50도로 조정하고 통과 주파수를 46KHz 정도로 밀었다.

최적화된 VRM 검증 문파에 대해 문파가 33mv로 현저히 낮아져 부품 요구를 충족시킬 수 있음을 알 수 있다.

위의 사례는 오실로스코프 FFT 기능을 사용하여 전원 문제를 신속하게 파악하는 과정입니다. 이 예에서 오실로스코프의 주파수 분석 기능이 회로 디버깅 시 큰 역할을 할 수 있음을 알 수 있습니다.오실로스코프의 FFT 기능은 긴 저장 깊이와 함께 저주파 긴 주기 신호를 쉽게 분석할 수 있으며, 이 장점은 디지털 회로 디버깅에서 비교적 두드러진다.