【導(dǎo)讀】電源軌上微伏級(jí)的紋波噪聲，已不再僅僅是背景干擾，而是可能引發(fā)精密AI算法偏差、導(dǎo)致汽車電子系統(tǒng)誤判甚至造成高速通信鏈路失效的關(guān)鍵隱患。在這一背景下，電源抑制比（PSRR）作為量化電源系統(tǒng)抵御輸入噪聲、維持輸出純凈度的核心指標(biāo)，其重要性日益凸顯。從消費(fèi)電子到車規(guī)級(jí)應(yīng)用，再到高吞吐量的AI計(jì)算集群，如何精準(zhǔn)評(píng)估并提升電源系統(tǒng)的抗干擾能力，已成為工程師在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段必須攻克的難題。
在眾多電源性能指標(biāo)中，電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio，PSRR）正逐漸成為衡量電源系統(tǒng)抗干擾能力的重要參數(shù)。從消費(fèi)電子到汽車電子，再到人工智能計(jì)算系統(tǒng)，PSRR已成為工程師在進(jìn)行電源器件選型和系統(tǒng)評(píng)估時(shí)的重要參考指標(biāo)。
PSRR：衡量電源抗干擾能力的重要指標(biāo)
在實(shí)際電子系統(tǒng)中，電源輸入端通常處于復(fù)雜的電磁環(huán)境之中。噪聲可能來(lái)自電源本身的開(kāi)關(guān)行為，也可能來(lái)自高速數(shù)字電路的串?dāng)_或時(shí)鐘信號(hào)的耦合。PSRR用于量化電源系統(tǒng)在面對(duì)這些輸入噪聲時(shí)，保持輸出端電壓穩(wěn)定和純凈的能力。
從定義上看，PSRR表示輸入端紋波電壓與輸出端紋波電壓之比的對(duì)數(shù)值，其單位為分貝（dB）。
PSRR數(shù)值越高，意味著電源對(duì)輸入噪聲的抑制能力越強(qiáng)，輸出電壓受到干擾的影響越小。對(duì)于需要穩(wěn)定供電的芯片系統(tǒng)而言，更高的PSRR意味著更“干凈”的電源環(huán)境。
高性能系統(tǒng)對(duì)PSRR提出更高要求
隨著電子系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提升，對(duì)電源穩(wěn)定性的要求也在持續(xù)提高。在電源管理芯片（PMIC）以及電源穩(wěn)壓器、放大器等電路設(shè)計(jì)中，PSRR測(cè)試已經(jīng)成為評(píng)估器件性能的重要手段。
在典型的高性能電子系統(tǒng)中，例如GPU、SoC、FPGA等處理器平臺(tái)，以及SerDes、PCIe、USB等高速接口系統(tǒng)，多個(gè)電源軌需要同時(shí)為高速數(shù)據(jù)處理提供穩(wěn)定供電。電源紋波可能來(lái)源于開(kāi)關(guān)噪聲、諧波、數(shù)字信號(hào)串?dāng)_以及時(shí)鐘耦合等多種因素。如果電源系統(tǒng)對(duì)紋波噪聲的抑制能力不足，可能導(dǎo)致信號(hào)抖動(dòng)、誤碼率上升，并最終影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
目前，PSRR測(cè)試已廣泛應(yīng)用于精密工業(yè)、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備以及人工智能等領(lǐng)域。
在精密工業(yè)領(lǐng)域，PSRR測(cè)試常用于評(píng)估低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的電源穩(wěn)定性，為精密電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要參考。
在汽車電子系統(tǒng)中，車規(guī)級(jí)電源器件需要在振動(dòng)、溫度變化以及復(fù)雜電磁環(huán)境下保持穩(wěn)定工作。PSRR測(cè)量能夠幫助工程師評(píng)估電源系統(tǒng)在嚴(yán)苛工況下的抗干擾能力，從而支持功能安全設(shè)計(jì)。
醫(yī)療設(shè)備同樣對(duì)電源穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求。通過(guò)PSRR測(cè)量，可以評(píng)估電源噪聲對(duì)設(shè)備精度和穩(wěn)定性的影響，從而確保診斷數(shù)據(jù)的可靠性。
在人工智能系統(tǒng)中，這一問(wèn)題尤為突出。AI芯片的工作電壓正在不斷降低，同時(shí)計(jì)算吞吐量卻持續(xù)提升。電源軌上的微小紋波噪聲，都可能導(dǎo)致計(jì)算誤差、算法偏差或功耗管理效率下降。因此，高PSRR電源系統(tǒng)已成為AI芯片穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。
下圖為一款用于AI存儲(chǔ)器LPDDR，其工作電壓低至0.5V，預(yù)留給電源的紋波噪聲裕量越來(lái)越小。
鑒于其低電壓的電源需求及高吞吐量的特性, 如果要保障其持續(xù)運(yùn)行在高算力的AI應(yīng)用場(chǎng)景下, 高穩(wěn)定且對(duì)紋波噪聲高抑制能力的電源供應(yīng)是必要的保障, 如果電源紋波噪聲抑制能力不夠, 會(huì)有什么影響呢?
1. 對(duì)芯片數(shù)據(jù)與算法的影響: 電源微小的紋波噪聲可能導(dǎo)致芯片數(shù)據(jù)失真或芯片算法錯(cuò)誤, 影響芯片算法的可靠性和準(zhǔn)確性;
2. 對(duì)功耗管理和能效優(yōu)化的影響: 芯片系統(tǒng)通常需要大量的計(jì)算資源, 功耗管理和能效優(yōu)化成為關(guān)鍵問(wèn)題。紋波噪聲抑制力差直接影響電源的優(yōu)化, 降低 系統(tǒng)的能效;
3. 對(duì)射頻信號(hào)處理穩(wěn)定性的影響: 在處理射頻信號(hào)以實(shí)現(xiàn)通信或感知功能的應(yīng)用中, 電源紋波噪聲直接影響通信質(zhì)量并可能導(dǎo)致感知錯(cuò)誤。
所有這一切使得預(yù)留給電源的紋波噪聲裕量越來(lái)越低,從而要求高精度的電源紋波噪聲抑制能力 (PSRR) 的測(cè)量。
精準(zhǔn)PSRR測(cè)量面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
從理論上講，PSRR測(cè)量需要在電源輸入端注入掃頻紋波信號(hào)，并同步測(cè)量輸入與輸出端的殘余紋波，從而獲得電源抑制比在不同頻率下的變化曲線。
然而，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，隨著頻率提升至兆赫茲范圍，被測(cè)紋波信號(hào)往往只有微伏級(jí)別。這對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了更高要求，包括：
極低的本底噪聲，確保測(cè)試系統(tǒng)不會(huì)淹沒(méi)真實(shí)信號(hào)
高分辨率測(cè)量能力，以捕捉微小電壓變化
的測(cè)試系統(tǒng)方案，包括信號(hào)源、注入設(shè)備和分析軟件
如果測(cè)試方案本身的性能不足，測(cè)量結(jié)果可能無(wú)法真實(shí)反映芯片性能，甚至影響產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和上市周期。
一體化PSRR測(cè)試方案提升測(cè)量可靠性
針對(duì)PSRR測(cè)試中的挑戰(zhàn)，完整的測(cè)試系統(tǒng)方案尤為重要。通過(guò)結(jié)合高性能示波器、電源軌探頭以及專業(yè)信號(hào)注入設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)從信號(hào)注入、數(shù)據(jù)采集到自動(dòng)分析的完整測(cè)試流程。
在實(shí)際測(cè)試中，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生掃頻信號(hào)，經(jīng)線性注入器耦合到電源輸入端。隨后，示波器同步采集輸入和輸出端的紋波信號(hào)，并通過(guò)分析軟件自動(dòng)生成PSRR隨頻率變化的曲線。
這種集成化測(cè)試方案能夠有效降低測(cè)試復(fù)雜度，提高測(cè)量一致性與重復(fù)性。它不僅能夠幫助電源芯片設(shè)計(jì)工程師準(zhǔn)確表征器件性能，還可以為系統(tǒng)工程師提供可靠的數(shù)據(jù)支持，從而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段更好地評(píng)估電源方案。
精準(zhǔn)測(cè)量推動(dòng)電子系統(tǒng)可靠性提升
隨著電子系統(tǒng)向更高性能、更高集成度發(fā)展，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性正在成為決定整體性能的重要因素。PSRR作為衡量電源魯棒性的核心指標(biāo)，其精準(zhǔn)測(cè)量在高端芯片與復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中正變得越來(lái)越關(guān)鍵。
在通往更智能、更高效電子系統(tǒng)的道路上，對(duì)每一毫伏電源紋波的精準(zhǔn)測(cè)量與控制，都意味著性能邊界的進(jìn)一步突破。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步，正是建立可靠的PSRR測(cè)試能力。
隨著電子系統(tǒng)向更高集成度、更低電壓和更強(qiáng)算力演進(jìn)，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性已直接決定了整體性能的邊界。PSRR不僅是衡量電源器件優(yōu)劣的標(biāo)尺，更是保障人工智能、汽車電子及精密醫(yī)療設(shè)備可靠運(yùn)行的基石。面對(duì)微伏級(jí)紋波噪聲可能引發(fā)的數(shù)據(jù)失真、能效下降及信號(hào)完整性惡化等風(fēng)險(xiǎn)，建立一套具備極低本底噪聲、高分辨率且集成化的一體化PSRR測(cè)試方案顯得尤為迫切。只有通過(guò)精準(zhǔn)的掃頻注入與同步分析，真實(shí)表征電源在不同頻率下的抑制能力，工程師才能在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期有效規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化電源架構(gòu)。
