Sử dụng phương pháp phân tích miền tần số Oscilloscope để phân tích tiếng ồn nguồn

nguồn điệnTiếng ồn là một loại nhiễu điện từ, phổ dẫn tiếng ồn của nó khoảng 10 kHz~30 MHz, cao lên đến 150 MHz. Tiếng ồn điệnÂm thanh, đặc biệt là nhiễu tiếng ồn thoáng qua, có tốc độ tăng nhanh, thời gian ngắn, biên độ rung điện áp cao và tính ngẫu nhiên mạnh mẽ, gây nhiễu nghiêm trọng cho máy vi tính và điện kỹ thuật số.

Ứng dụng phân tích miền tần số Oscilloscope trong gỡ lỗi nguồn

Bài viết này nói vềNhiều nămLại đây.Điện quan tâmĐo tiếng ồn nguồnhỏiĐề, có tổng kết kinh nghiệm thực dụng, có bằng chứng thực nghiệm, có phân tích mô phỏng kết hợp。
Trong quá trình phân tích tiếng ồn nguồn, phương pháp so sánh cổ điển là sử dụng máy hiện sóng để quan sát dạng sóng ồn nguồn và đo biên độ của nó, từ đó xác định nguồn gốc của tiếng ồn nguồn. Nhưng với việc giảm dần điện áp của thiết bị kỹ thuật số và tăng dần hiện tại, độ khó thiết kế nguồn điện tăng lên, cần phải sử dụng các phương tiện thử nghiệm hiệu quả hơn để đánh giá tiếng ồn nguồn điện. Bài viết này sử dụngPhương pháp miền tần số phân tích một trường hợp nhiễu nguồn, chuyển đổi dạng sóng nhiễu nguồn miền thời gian sang miền tần số để phân tích bằng cách thực hiện chuyển đổi tần số thời gian bằng phương pháp FFT (Chuyển đổi Fourier nhanh) khi quan sát dạng sóng miền thời gian không thể xác định vị trí lỗi. Khi điều chỉnh mạch, từ hai góc độ của vùng thời gian và vùng tần suất để xem tính năng tín hiệu, bạn có thể đẩy nhanh tiến trình điều chỉnh một cách hiệu quả.

Trong quá trình gỡ lỗi veneer phát hiện ra rằng tiếng ồn nguồn của một mạng đạt 80mv, đã vượt quá yêu cầu của thiết bị, để đảm bảo thiết bị có thể hoạt động ổn định phải giảm tiếng ồn nguồn này.
Trước khi điều chỉnh lỗi này, hãy xem lại nguyên lý ức chế tiếng ồn nguồn điện. Như hình ảnh dưới đây cho thấy, các băng tần khác nhau trong mạng phân phối điện được tạo ra bởi các thành phần khác nhau để ức chế tiếng ồn, các thành phần tách rời bao gồm mô-đun điều chỉnh nguồn (VRM), điện dung tách rời, mặt đất nguồn PCB, gói thiết bị và chip. VRM chứa chip nguồn và điện dung đầu ra ngoại vi, hoạt động khoảng DC đến dải tần số thấp (khoảng 100K), và mô hình tương đương của nó là một mô hình hai thành phần bao gồm điện trở và điện cảm. Điện dung tách rời được sử dụng tương đối với nhiều điện dung có giá trị độ lớn để phù hợp với nhau, bao phủ đầy đủ dải tần số trung bình (khoảng 10K đến 100M). Do sự hiện diện của dây cảm ứng và đóng gói cảm ứng, ngay lập tức một số lượng lớn các điện dung xếp chồng lên nhau cũng khó có thể hoạt động ở tần số cao hơn. PCB cung cấp điện mặt đất đối mặt với sự hình thành của một điện dung phẳng, cũng có tác dụng tách rời, tác động khoảng hàng chục mega. Bao bì chip và chip chịu trách nhiệm cho băng tần cao (hơn 100M), các thiết bị hiện tại thường sẽ tăng điện dung tách rời trên bao bì, tại thời điểm này phạm vi tách rời trên PCB có thể được giảm xuống hàng chục megabit hoặc thậm chí một vài megabit. Vì vậy, trong trường hợp tải hiện tại không thay đổi, chúng ta chỉ cần xác định tiếng ồn điện áp xuất hiện ở dải tần nào, sau đó tối ưu hóa cho các thành phần tách rời tương ứng với dải tần này. Hai yếu tố tách rời sẽ phối hợp với nhau trong các dải tần liền kề của hai yếu tố tách rời, vì vậy khi phân tích các điểm tới hạn của các yếu tố tách rời, các yếu tố tách rời của các dải tần liền kề cũng phải được xem xét cùng một lúc.

Theo kinh nghiệm gỡ lỗi nguồn điện truyền thống, đầu tiên trên mạng này đã thêm một số điện dung tách rời, tăng phụ cấp trở kháng của mạng cung cấp điện, đảm bảo rằng trở kháng mạng cung cấp điện trong dải tần giữa có thể đáp ứng nhu cầu của kịch bản ứng dụng này. Kết quả là sóng gợn chỉ giảm vài mV và cải thiện rất ít. Có một số khả năng tạo ra kết quả này: 1, tiếng ồn ở tần số thấp, không nằm trong phạm vi tác dụng của những điện dung tách rời này; 2, tăng điện dung ảnh hưởng đến tính năng vòng lặp của bộ điều chỉnh nguồn VRM, giảm trở kháng do điện dung bù đắp với sự suy giảm của VRM. Với câu hỏi này, chúng tôi xem xét sử dụng chức năng phân tích tần số của máy hiện sóng để xem xét các đặc tính phổ của tiếng ồn nguồn điện, xác định nguồn gốc của vấn đề.

Chức năng phân tích miền tần số của dao động được thực hiện thông qua biến đổi Fourier, bản chất của nó là các chuỗi của bất kỳ miền thời gian nào cũng có thể được biểu diễn dưới dạng chồng chất vô hạn của các tín hiệu sóng sin ở các tần số khác nhau. Phân tích của chúng tôi về tần số, biên độ và thông tin pha của các sóng sin này là cách để chuyển tín hiệu miền thời gian sang miền tần số. Chuỗi được lấy mẫu bằng máy hiện sóng kỹ thuật số là các chuỗi rời rạc, vì vậy chúng tôi thường sử dụng trong phân tích của mình để chuyển đổi Fourier nhanh (FFT). Thuật toán FFT được tối ưu hóa cho thuật toán biến đổi Fourier rời rạc (DFT), với số lượng hoạt động giảm đi một vài bậc độ lớn và số lượng điểm cần hoạt động càng nhiều, tiết kiệm càng lớn.
Dạng sóng nhiễu mà máy hiện sóng bắt được thực hiện chuyển đổi FFT và có một số điểm chính cần lưu ý.
Theo định luật lấy mẫu Questier, độ rộng phổ sau khi chuyển đổi (Span) tương ứng với 1/2 tốc độ lấy mẫu của tín hiệu ban đầu, nếu tốc độ lấy mẫu của tín hiệu ban đầu là 1GS/s, độ rộng phổ sau FFT là 500 MHz;
Độ phân giải tần số sau khi chuyển đổi (RBW Resolution Bandwidth) tương ứng với nghịch đảo của thời gian lấy mẫu, nếu thời gian lấy mẫu là 10mS, độ phân giải tần số tương ứng là 100Hz;
3, rò rỉ phổ, có nghĩa là trong phổ tín hiệu giữa các đường phổ khác nhau, các đường phổ năng lượng thấp dễ bị tràn bởi sự rò rỉ của các đường phổ năng lượng cao gần đó. Tránh rò rỉ phổ có thể đồng bộ hóa tốc độ thu thập và tần số tín hiệu càng nhiều càng tốt, kéo dài thời gian thu thập tín hiệu và sử dụng các chức năng cửa sổ thích hợp.
nguồn điệnĐo tiếng ồn không đòi hỏi tốc độ lấy mẫu cao, vì vậy bạn có thể thiết lập một cơ sở thời gian rất dài, điều này cũng có nghĩa là thời gian tín hiệu thu thập có thể đủ dài để được coi là bao phủ toàn bộ khoảng thời gian tín hiệu hợp lệ, tại thời điểm này không cần thêm chức năng cửa sổ. Điều chỉnh các thiết lập trên có thể nhận được các đường cong chuyển đổi FFT chính xác hơn, rồi xem các điểm mà bạn quan tâm thông qua chức năng zoom. Năng lượng chính của tiếng ồn nguồn trong hình dưới đây tập trung vào khoảng 11,3KHz và cộng hưởng tần số sóng cơ bản ở tần số này. Từ đó có thể suy ra rằng trở kháng của mạng PDN này tại 11.3KHz không thể đáp ứng các yêu cầu, điện dung tại điểm này trở kháng tương đối cao, không đóng vai trò giảm trở kháng, do đó, việc tăng điện dung phía trước không thể làm giảm tiếng ồn của nguồn điện.
Nói chung, 11.3KHz phải thuộc thẩm quyền của VRM, tiếng ồn lớn ở đây cho thấy thiết kế mạch VRM không thể đáp ứng yêu cầu. Hiệu suất của VRM được phân tích ở đây, có rất nhiều phương pháp phân tích VRM, và ở đây chủ yếu sử dụng các phương tiện mô phỏng sơ đồ Porter vòng phản hồi của nó. Biểu đồ PORT chủ yếu quan sát một số thông tin chính: 1, tần số vượt qua, đường cong tăng vượt qua điểm tần số của đường 0dB; 2, biên độ pha, giá trị pha tương ứng với đường cong pha ở tần số vượt qua; 3. Biên độ tăng, giá trị tăng tương ứng với pha ở - 360 độ. Ở đây chúng tôi chủ yếu tập trung vào hai chỉ số là tần số băng qua và biên pha. Như bạn có thể thấy từ biểu đồ Loop Porter của VRM (ví dụ: a bên dưới), VRM có tần số truyền khoảng 8KHz và biên pha 37 độ. Ở đây có hai vấn đề: đầu tiên, biên pha của VRM thường cần lớn hơn 45 độ để đảm bảo hoạt động ổn định của vòng lặp, ở đây biên pha nhỏ hơn một chút, cần phải tăng biên pha; Thứ hai, tần số băng qua quá thấp, hiệu ứng điều chỉnh VRM gần tần số băng qua giảm dần, và điện dung bulk tần số này vẫn chưa đóng vai trò, vì vậy gần 8KHz sẽ có trở kháng cao hơn, hiệu ứng ức chế tiếng ồn của tần số này kém hơn. Sơ đồ dưới đây (b) là sơ đồ Porter tối ưu hóa sau vòng lặp VRM, điều chỉnh biên pha đến 50 độ và đẩy tần số băng qua khoảng 46KHz.

Đối với các gợn xác minh VRM được tối ưu hóa, có thể thấy rằng gợn giảm đáng kể xuống 33mv, có thể đáp ứng các yêu cầu của thiết bị.

Trường hợp trên là quá trình sử dụng chức năng FFT của Oscilloscope để nhanh chóng xác định vị trí các vấn đề về nguồn điện, từ ví dụ này có thể thấy chức năng phân tích miền tần số của Oscilloscope có thể đóng một vai trò lớn trong việc gỡ lỗi mạch. Chức năng FFT của máy hiện sóng phối hợp với độ sâu lưu trữ dài có thể dễ dàng phân tích tín hiệu chu kỳ dài tần số thấp, lợi thế này khá nổi bật trong việc điều chỉnh mạch kỹ thuật số.