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PDN(Power Distribution Networks)은 마이크로프로세서, DSP, FPGA 및 ASIC와 같은 민감한 부하를 위한 낮은 노이즈 DC 파워 레일을 다수 제공해야 합니다. 더 빠른 속도와 더 높은 밀도에 대한 추구는 더 낮은 전압 레벨과 더 높은 전류를 통한 더 빠른 에지 속도, 더 높은 주파수 및 더 많은 레일을 의미합니다. 이는 신호 무결성과 전력 무결성 모두에 대한 설계에 압박을 줍니다.

전력 무결성 측정의 목표는 POL(Point of Load)에 도달하는 전압 및 전류가 모든 예상 작동 조건에서 부하의 파워 레일 사양을 충족하는지 확인하는 것입니다. GHz 주파수에서 밀리볼트의 파워 레일 노이즈를 정확하게 측정하려면 특별한 주의가 필요합니다.

DC를 차단하거나 파워 레일에 부하를 가하지 않고 고주파 리플 측정

파워 레일의 노이즈 사양은 진폭이 밀리볼트인 MHz 또는 GHz 주파수 범위로 올라갈 수 있습니다.

노이즈 영향이 적고 대역폭이 높은 오실로스코프는 이러한 측정을 수행할 수 있지만, 신호를 장비로 가져오는 것은 어렵습니다.

오실로스코프와 함께 제공되는 높은 임피던스 10X 패시브 프로브는 대역폭이 충분할 수 있지만, 측정하려는 노이즈 신호를 감쇠시킵니다. 그런 다음 스코프는 신호와 측정 시스템 노이즈를 모두 증폭시키므로 이 둘을 구별할 수 없습니다.

1X 프로브는 감쇠 없이 노이즈 신호를 전달하지만 몇 MHz 대역폭으로 제한됩니다.

50Ω 스코프 입력을 사용하는 전송 라인 프로브 또는 케이블은 뛰어난 고주파 성능을 제공하지만 DC에서 상당한 부하를 제공합니다.

파워 레일 측정을 위한 이상적인 프로브는 DC에서 높은 임피던스를 제공하며 고주파 AC를 위한 50Ω 전송 라인 역할을 합니다. TPR1000 및 TPR4000과 같은 파워 레일 프로브는 대역폭을 높이고 감쇠는 없애며 부하를 최소화해 이러한 문제를 해결하도록 설계되었습니다.

1V~48V 이상의 파워 서플라이 처리

많은 FPGA 및 SoC에 대한 기본 서플라이 전압이 상당히 하락했지만, 이것은 파워 서플라이만 고려할 문제는 아닙니다. 온칩 I/O 서플라이는 기본 로직 서플라이보다 훨씬 넓은 범위를 커버할 수 있습니다. POL 조정기 또는 VRM(Voltage Regulator Module)에 전원을 공급하는 벌크 서플라이는 훨씬 높은 전압을 가지는 경우가 자주 있습니다.

많은 스코프와 프로브는 DC 오프셋 일부를 제공할 수 있지만, 시스템 내의 모든 파워 레일을 처리하기에 충분하지 않을 수 있습니다. 그리고 더 낮은 구간당 볼트(고감도) 설정에서 장비 시스템은 더 적은 오프셋을 제공하는 경향이 있습니다. DC 차단이 하나의 선택지이지만, 바람직하지 않은 경우가 많이 있습니다(위 참조).

위에서 설명한 고주파 요구 사항을 해결하는 것 외에도 TPR1000 및 TPR4000과 같은 파워 레일 프로브는 광범위한 전압 레벨을 처리하기 위해 높은 오프셋 범위를 제공합니다.

측정 시스템 노이즈 영향 최소화

10mV 내외의 노이즈를 측정하려면 측정 시스템 노이즈에 주의를 기울여야 합니다. 위에서 언급했듯이 비감쇠 또는 1X 프로브를 사용하면 오실로스코프의 증폭기에 가해지는 부담이 줄어듭니다. 스코프의 내부 노이즈 및 측정 해상도도 중요한 역할을 합니다.

6 시리즈 MSO에는 업계 최고의 노이즈 성능을 갖춘 새로운 프런트 엔드가 포함되어 있습니다. 이 스코프는 50μVRMS 및 466μV피크의 낮은 오픈 채널 노이즈를 제공합니다. TPR1000/4000 파워 레일 프로브와 함께 사용할 경우, 시스템 노이즈는 70μVRMS까지 낮아집니다.

6 시리즈는 12.5GS/s에서 12비트 분해능을 제공합니다. 고해상도 기능은 625MS/s 이하에서 분해능을 16비트까지 높입니다. 또한, 4 및 5 시리즈 MSO도 12비트 분해능을 제공하며, 고해상도 모드를 사용하면 최대 16비트의 분해능을 제공합니다.

배전 네트워크 임피던스 측정

FPGA, 프로세서 및 기타 복잡한 IC에 전력을 공급하는 PDN의 경우, 빠른 수요 변화에 대응하기 위해 높은 전류를 제공할 수 있도록 파워 레일 임피던스가 낮아야 합니다. 그러나 네트워크는 전압 조정기, 디커플링 커패시터 및 PCB 트레이스를 포함한 많은 임피던스로 구성됩니다. 고속 스위칭에는 광대역 주파수가 포함되며 예상치 않은 임피던스 변화로 과도한 과도 현상이나 노이즈가 발생할 수 있습니다. 넓은 주파수 범위에 걸쳐 네트워크 설계의 임피던스를 측정하면 네트워크가 원치 않는 일을 발생시키지 않을 것이라 확신할 수 있습니다.

네트워크 임피던스 측정은 100kHz~6GHz를 측정할 수 있는 2포트 TTR500과 같은 VNA를 사용하는 전형적인 방식으로 수행됩니다.

5 및 6 시리즈 MSO 오실로스코프는 분석 소프트웨어, 신호 발생기(내장 또는 AFG31000 시리즈) 및 절연 변압기를 사용하여 10Hz까지 파워 레일 임피던스를 측정할 수 있습니다.

Power rail impedance measurement system using 5 or 6 Series MSO oscilloscope

스펙트럼 및 파형 동시 분석을 사용하여 노이즈 특성화

파워 레일 노이즈를 측정했지만 사양에 맞지 않는다고 가정해 봅시다. DC-DC 컨버터 때문입니까? 벌크 서플라이 때문입니까? PLL, 클럭 아니면 크로스토크 때문입니까? 스펙트럼 분석은 노이즈 소스에 대한 단서를 제공하여 노이즈 주파수를 스위칭 주파수 및 고조파와 상관시키는 데 도움이 됩니다.

DC 블록을 통해 파워 레일에 연결된 RSA306과 같은 스펙트럼 분석기는 노이즈에 대해 자세히 알아보도록 도움을 줍니다.
스코프의 FFT 기능도 유용하지만, 이러한 기능은 스코프상에서 샘플 클럭을 사용하므로 스펙트럼과 전압 파형을 동시에 살펴보기 어렵거나 불가능하게 만듭니다. 4, 5 및 6 시리즈 MSO의 고유한 스펙트럼 뷰 독립적인 스펙트럼 분석기 제어를 제공하므로 동기화된 시간 도메인 스펙트럼과 주파수 도메인 파형을 동시에 볼 수 있습니다.

자동 분석 소프트웨어로 더 빠른 파워 레일 측정

수십 개 파워 레일상에서의 리플, 오버슈트 및 언더슈트와 같은 간단한 측정에도 상당한 시간과 세부 사항에 대한 주의가 필요합니다.

5 및 6 시리즈 MSO는 디지털 전원 관리 소프트웨어와 함께 사용하여 이러한 반복적인 측정을 자동화하고 심층적인 보고서를 생성합니다. 또한 이 소프트웨어에는 지터 분석(TIE, RJ, DJ 및 Eye 측정)이 포함되어 클럭상의 과도한 지터와 PDN에 의해 구동되는 통신 신호를 확인합니다.