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離開了電源模塊就不是那個電源了

來源: 發布時間:2017-10-11 08:43:49 次瀏覽

在我看來,這個世界上只有兩種硬件工程師,一種是正在做電源的工程師,另外一種是在使用電源的工程師。 這兩種工程師對電源的理解大不一樣。前者腦子里整天轉的是電源拓樸、結構設計、環路調試、散熱,EMC等,后者腦子里多是電源紋波,電源干擾,電源穩定性、可靠性,電源分布網絡(PDN)。對于前者,做電源的最高境界是結構設計和EMC設計,對于后者,使用電源的人們,他們覺得最高境界是理解PDN、PI。


有一句口水沫子是:“電源,離開了電源模塊就不是那個電源了”。這句話外行人聽起來有點怪,它是使用電源的人說出來的。

 

電源模塊提供了穩定的12V直流電壓,但是,即使這個電壓穩定如實驗儀器中的線性電源, 這個電源模塊產生的12V電壓信號經過了多層PCB板,經過了復雜的走線之后,再經過多級的板上電源的變換,最終到達關鍵芯片的管腳時,它的特性如何呢? 芯片管腳的電壓信號在芯片內部又經過復雜、密集的集成電路走線,到達芯片內核Core時的特性又是如何?多層PCB走線過程中,電源會受到周邊電路特別是高速I/O電路帶來的開關干擾耦合到電源上的噪聲到底該如何測量?如何評估這些噪聲對敏感脆弱的高速信號的干擾?  


其實,對上面這些基礎性問題的思考帶來了一個研究熱點,就是PI(電源完整性,Power Integrity) 。 PI已成為高速信號領域的一個熱門話題。有一天,我接到一位工程師的名片,上面頭銜是“PI工程師“,而且是個美女,我一下子對她肅然起敬,雖然我知道她可能主要工作是測量電源噪聲,也仿真一下電源噪聲對高速信號的影響。收到”PI工程師“頭銜的名片機會并不多,認真地說,就看到過一次。


這些年大量出現PDN、PI相關的文章。 我曾經囫圇吞棗地大量閱讀了相關文章,現摘取一些表達PDN含義的示意圖如下。這對于做電源的人來說算是開個眼界,您可以想象一下:“哇,我整天研究電源,沒想到那些用電源的家伙要這樣研究電源“。
 


典型的PDN包括電源模塊,在PDN文檔中一般說是VRM(電壓整定模塊, Voltage Regulator Modulation); 板級電源分布系統,包括PCB走線,低頻去耦電容; 芯片封裝級的電源分布系統,包括封裝PCB走線,中頻去耦電容; 芯片級的電源分布系統。
一個好的PDN網絡要求做到:為IC提供干凈的電源; 為信號提供低阻抗,低噪音的參考路徑; 不會帶來過大的EMI問題。這看似容易,其實很難。這個世界上的PI高手都是高速芯片廠商的資深Fellow級人物。 


經常玩高速信號的朋友可能會問: 高帶寬示波器是否還有存在的必要? 其實我也常冒出這樣問題。 因為高帶寬示波器測量出來眼圖和抖動要么是符合要求的,要么是超標的,譬如眼圖觸碰模板、抖動超標了,最終能檢查的,查出問題的,往往都是電源或者是時鐘信號的問題。 所以我想,用低帶寬示波器專業地測量電源和時鐘,死保確保這兩者都沒有問題不就可以了嘛?對于高速信號產品,電源和時鐘始終是需要慎重對待的兩大要點。

 

離開了電源模塊的電源怎么測試呢? 特別是那個超級問題:電源紋波和電源噪聲怎么測試。我曾經就這個話題搞了100場客戶端研討會。這個問題其實真的沒多少做電源的工程師搞得明白,直到今天。 


而電源工程師又怎么看待電源測試呢?  最有趣的問題是,電源工程師測試中使用的負載要么是電子負載,要么是純電阻負載,根本不管這電源模塊接了復雜的電路系統之后是怎么測試的。 而這電源模塊一旦用到了電路系統中,在電源模塊的輸出端看到的直流電壓波形和之前連接電阻負載時的波形已大不一樣了。更要命的是,電路系統中電源模塊的負載變化是難以模擬的。 可是,電源的動態性測試,甚至電源動態穩定性這個名詞本身對于很多使用電源的朋友是完全陌生的概念。 我曾經接受的那么點屬于純正電源工程師的測試經驗和對示波器的所謂一流專家的水平剛好可以跨界一點,“忽悠“ 很多非科班電源出身,使用電源的工程師時,他們誤以為我是”電源專家“。而我做電源的水平,連入門還不算。我不是專家,我只是擅長通俗的表達。

 

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