测量 PDN 阻抗的障碍
数值小
目标阻抗动辄几毫欧,甚至不到一毫欧。普通万用表的精度达不到,电磁场扰动、寄生电容电感也会影响测量结果。
带宽大
PDN 阻抗要在每一个频率上都低,所以必须在全频带上都低于门限值。
单端口反射法的瓶颈
单端口 VNA 靠反射测阻抗,发一个信号出去,看反射回来多少。反射量取决于被测阻抗跟仪器 50 Ω 基准的差距。对于毫欧级别的阻抗,信号几乎全反射回来,无法测出具体的数值。
两端口分流法
既然反射法不适用,那就改为测量信号的传输量。这就是业界测 PDN 阻抗的标准方法——两端口分流法(Two-Port Shunt-Through)。
接线方式
VNA 的端口一发信号,端口二收信号。两根线的线芯都接到被测点,屏蔽层都接到附近的地平面。
被测的 PDN 阻抗并联分流在从端口一到端口二的通路上:
- 如果 PDN 阻抗很大,信号大部分顺着通路从端口一跑到端口二,端口二收到的就多
- 如果 PDN 阻抗很小(趋近短路),信号大部分被它分流到地了,端口二收到的就少
端口二收到多少,直接反映了 PDN 阻抗有多小。换算公式如下:
Z ≈ 50 Ω ÷ 2 × S₂₁ = 25 × S₂₁
注意事项
地环路抬高低频段
两根同轴线的屏蔽层(地)在被测点连到一起,又在 VNA 那头连到一起,绕成了一个大地环路。低频时,这个环路里的地电流会串进测量,让低频段的阻抗读数偏高。
措施: 在其中一根线上套一个共模扼流圈,或者用专门的闭环隔离器,打断这个环路。
测试前校准器具
探头、转接、引线本身也有阻抗。
解法: 测之前要做校准,把参考面改成探头尖端。有时还需要去嵌(de-embed)掉夹具模型。
探点位置和直流偏置
探点位置: 两个探点之间尽量靠近。
直流偏置: MLCC 有直流偏压降容特性,标称 10 µF 的电容在实际工作电压下可能只剩 3 µF。所以要量得准,最好给 PDN 加上实际工作电压偏置再测,同时用隔直器保护 VNA 的端口。
读阻抗曲线
| 频段 | 阻抗尖峰原因 | 对策 |
|---|---|---|
| 低频段 | 稳压器环路带宽不够,或大电容不足 | 优化环路带宽,加大 bulk 电容 |
| 中频段 | 中等容值的去耦电容不够或选型不对 | 补充合适容值的 MLCC |
| 中频孤立尖峰 | 反谐振:大电容过了自谐振点呈感性,与旁边仍呈容性的小电容并联谐振 | 选合适的容值梯度,用带一点 ESR 的电容增加谐振的阻尼 |
| 高频段 | 板级电容无法再发挥作用了 | 靠封装内电容乃至片上电容,收紧过孔和平面,减小安装电感 |
示波器的替代测量方案
反向利用公式来计算路径阻抗:
Z ≈ ΔV ÷ ΔI
给 PDN 注入一个已知的电流阶跃,同时用示波器测量被测点的电压跌落,两者一除就得到对应的等效阻抗,这个结果只是某个基频带内的等效阻抗,无法形成 PDN 曲线。
测试流程
| 步骤 | 要点 |
|---|---|
| ① 算好目标阻抗 | 电压波动 ÷ 电流波动 |
| ② 选对方法 | 毫欧级低阻抗用 VNA 两端口分流法 |
| ③ 校准去嵌 | 把参考面推到探尖 |
| ④ 打断地环路 | 套一个共模扼流圈 |
| ⑤ 探点靠近芯片 | 两尖尽量靠近,加实际直流偏置 |
| ⑥ 对照目标阻抗读曲线 | 按对应频段进行优化 |
如果这篇文章对你有帮助,欢迎分享给更多人!
部分信息可能已经过时