文章伊始，首先祝大家2025新春快樂(lè)，事事如意，身體健康，蛇年大吉！

下面正文開(kāi)始：

最近在做系統(tǒng)壓力測(cè)試下的主板電源紋波測(cè)試時(shí)候遇到一個(gè)問(wèn)題：系統(tǒng)壓力測(cè)試程序跑起來(lái)后，測(cè)到的負(fù)載側(cè)電源電壓有明顯的過(guò)沖和下沖。起初以為這個(gè)過(guò)沖和下沖是正常的電壓瞬態(tài)響應(yīng)波形，因?yàn)樨?fù)載在壓力測(cè)試下的劇烈變化確實(shí)會(huì)引起其電壓的波動(dòng)，但是隨著測(cè)試的深入，發(fā)現(xiàn)其實(shí)另有原因（下面讓我們進(jìn)入本期“走近科學(xué)”^.^）。

• （1） 平平無(wú)奇的噪聲

在主板電源測(cè)試中，有一個(gè)測(cè)試項(xiàng)是壓力程序下的負(fù)載電源紋波&噪聲測(cè)試。其實(shí)就是評(píng)估電源設(shè)計(jì)是否能夠滿足負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)需求。在壓力測(cè)試開(kāi)始后，由于負(fù)載芯片對(duì)電流需求的劇烈變化，會(huì)導(dǎo)致其供電電壓軌的塌陷（通俗講就是電壓波動(dòng)）。另外假如鄰近負(fù)載電流變化非常大，也會(huì)造成其對(duì)應(yīng)的地平面電壓波動(dòng)，進(jìn)而影響該負(fù)載的電壓信號(hào)質(zhì)量（地噪聲或者地彈噪聲）。所以壓力測(cè)試下測(cè)到負(fù)載側(cè)的電壓過(guò)沖或者下沖是平平無(wú)奇的一個(gè)現(xiàn)象，如下圖所示：

圖1.同軸電壓探頭測(cè)試的電壓波形

看到3.3V的電壓軌上大概會(huì)有46mV的下沖電壓，理論上講，這是典型的瞬態(tài)響應(yīng)波形，沒(méi)有任何問(wèn)題，表征了負(fù)載波動(dòng)對(duì)電源的影響。

• （2） 問(wèn)題初現(xiàn)，疑點(diǎn)重重

可是有時(shí)候就是“無(wú)巧不成書”，因?yàn)楫?dāng)時(shí)正好有時(shí)間，所以想研究下“地彈噪聲”對(duì)系統(tǒng)的影響，所以就拿出了差分探頭測(cè)試各個(gè)接地點(diǎn)之間的電壓差異，順便也測(cè)了該負(fù)載在壓力測(cè)試下的電壓。這一測(cè)不得了，問(wèn)題出現(xiàn)了：差分探頭測(cè)試的結(jié)果和同軸探頭測(cè)試的結(jié)果大相徑庭。如下圖：

圖2.差分探頭測(cè)試結(jié)果對(duì)比

看到差分探頭對(duì)然底噪比同軸探頭略大，但是顯然沒(méi)有同軸探頭測(cè)到的下沖電壓。其實(shí)無(wú)論是哪種結(jié)果，都沒(méi)有超過(guò)我們負(fù)載芯片電壓的SPEC要求，但是問(wèn)題在于以上哪一個(gè)測(cè)試結(jié)果才是準(zhǔn)確的？只有弄清這個(gè)問(wèn)題，后續(xù)測(cè)試才能更加嚴(yán)謹(jǐn)。

• （3） 踏破鐵鞋無(wú)覓處

首先，假設(shè)這個(gè)噪聲是真實(shí)存在的。我們仔細(xì)測(cè)試了噪聲的頻率和幅度，發(fā)現(xiàn)其頻率和壓力測(cè)試的重復(fù)頻率完全一致，因此起初還是懷疑是地彈噪聲引起的，也就是說(shuō)CPU附近的地噪聲耦合到該負(fù)載附近的GND?；蛘呔褪?2V入口處的地噪聲耦合到了該負(fù)載附近的GND。

為佐證該想法，抓取了如下波形：

圖3.12V電壓波動(dòng)

看到上面12V電壓在壓力測(cè)試時(shí)候的電壓是向上波動(dòng)的，就是說(shuō)有一個(gè)周期性的正向脈沖，頻率大概250HZ，幅度大概180mV左右。

其實(shí)這個(gè)測(cè)試結(jié)果是可以一定程度說(shuō)明之前的噪聲是地彈噪聲引起的，因?yàn)?2V電壓是正向脈沖，所以其附近GND應(yīng)該也會(huì)存在正向過(guò)沖，耦合到負(fù)載芯片附近的GND，自然導(dǎo)致其GND的正向脈沖，那負(fù)載芯片電壓對(duì)地就會(huì)有同頻同相的負(fù)向脈沖。至于這個(gè)12V的正向脈沖是怎么來(lái)的，我分析可能是PSU電源模塊到主板的電源線略長(zhǎng)導(dǎo)致的LC振蕩。

為了驗(yàn)證該問(wèn)題，在12V入口連接器處增加了4顆到8顆270uF的電容抑制LC振蕩導(dǎo)致的電壓波動(dòng)。測(cè)試效果如下：

圖4.加入8顆270uF電容后3.3V電壓波動(dòng)

上圖中可以看到，加入電容后比原先有5mV左右的下沖噪聲改善。到這里問(wèn)題似乎有了答案，但是開(kāi)頭的那個(gè)始作俑者的問(wèn)題依然讓人困惑，就是差分探頭為什么就測(cè)不到這個(gè)過(guò)沖呢？難道是負(fù)載附近的地和電源軌恰巧出現(xiàn)了同頻同相同幅度的電壓變化？

而且還有一些細(xì)節(jié)現(xiàn)象也值得思考：

圖5.示波器接地后波形

假如將示波器和主板的GND用額外的線纜連接，先前測(cè)到的電壓下沖會(huì)顯著減小。難道是接地不夠好導(dǎo)致的該問(wèn)題么？其實(shí)問(wèn)題研究到這里可以簡(jiǎn)單按照地彈噪聲和示波器接地兩個(gè)原因“結(jié)案”，但差分探頭和同軸探頭的測(cè)試區(qū)別就被忽視了。那后續(xù)要以哪個(gè)探頭的測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn)就成了一個(gè)棘手的問(wèn)題，因此還需要繼續(xù)探究一下。

• （4） 恍然大悟，撥云見(jiàn)日

帶著上述疑問(wèn)，經(jīng)過(guò)多方查詢資料以及求助泰克FAE，終于找到了一個(gè)可能的方向，就是地環(huán)路干擾。其原理如下圖所示：

圖6.地線回路示意圖

看到圖中的待測(cè)器件是通過(guò)PSU電源供電的，示波器供電是通過(guò)電源線連接到實(shí)驗(yàn)室插座的，而PSU電源的AC供電也是通過(guò)電源線連接到實(shí)驗(yàn)室插座的。這樣的話，待測(cè)器件，示波器以及實(shí)驗(yàn)室插座的地線就會(huì)形成一個(gè)完整的環(huán)路，此時(shí)假如采用同軸或者單端探頭去測(cè)試待測(cè)器件的電壓信號(hào)，探頭的地線就會(huì)參與進(jìn)該環(huán)路。而環(huán)路會(huì)帶來(lái)天線效應(yīng)，拾取空間中電磁干擾，特別是變化的電流信號(hào)會(huì)帶來(lái)電壓噪聲，耦合進(jìn)入地線。

比如我們壓力測(cè)試中，電源線及其地回路上巨大的電流變化就會(huì)引起地線上的電壓噪聲，通過(guò)探頭的地耦合進(jìn)入示波器。但是差分探頭的正負(fù)極互為參考，和示波器的地是隔離的，因此不會(huì)受到上述干擾，也因此就杜絕了電壓噪聲的耦合。

圖7.切斷地線回路示意圖

為了驗(yàn)證上述猜想，如圖7，我們將示波器的地線切斷，也同時(shí)切斷了原來(lái)的地環(huán)路，重復(fù)以上測(cè)試。發(fā)現(xiàn)原來(lái)的電壓下沖立馬消失了，無(wú)論用同軸線還是用被動(dòng)單端探頭進(jìn)行測(cè)試，均沒(méi)有測(cè)到原來(lái)的噪聲電壓。因此，這一問(wèn)題得到了最終的解決！

• （5） 問(wèn)題總結(jié)與思考

本次電源測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題并不屬于電源設(shè)計(jì)實(shí)際存在的問(wèn)題，而是測(cè)試手法引入的噪聲問(wèn)題。在以往的測(cè)試中也一直存在，但是因?yàn)樵肼暦炔淮螅罢`以為是壓力測(cè)試帶來(lái)的電壓噪聲，是實(shí)際存在的。但是偶然對(duì)差分探頭和單端探頭對(duì)比發(fā)現(xiàn)的差異，讓我困惑了挺久，也嘗試過(guò)很多可能的解釋。最終，本著追根究底的原則，還是把根因找到了。這個(gè)問(wèn)題的解決也將“地線干擾”和“地噪聲”上升到將來(lái)測(cè)試中不能忽略的一個(gè)方面，需重點(diǎn)予以關(guān)注。