文章伊始，首先祝大家2025新春快樂，事事如意，身體健康，蛇年大吉！
下面正文開始：
最近在做系統(tǒng)壓力測試下的主板電源紋波測試時候遇到一個問題：系統(tǒng)壓力測試程序跑起來后，測到的負載側電源電壓有明顯的過沖和下沖。起初以為這個過沖和下沖是正常的電壓瞬態(tài)響應波形，因為負載在壓力測試下的劇烈變化確實會引起其電壓的波動，但是隨著測試的深入，發(fā)現(xiàn)其實另有原因（下面讓我們進入本期“走近科學”^.^）。
- （1） 平平無奇的噪聲
在主板電源測試中，有一個測試項是壓力程序下的負載電源紋波&噪聲測試。其實就是評估電源設計是否能夠滿足負載的瞬態(tài)響應需求。在壓力測試開始后，由于負載芯片對電流需求的劇烈變化，會導致其供電電壓軌的塌陷（通俗講就是電壓波動）。另外假如鄰近負載電流變化非常大，也會造成其對應的地平面電壓波動，進而影響該負載的電壓信號質量（地噪聲或者地彈噪聲）。所以壓力測試下測到負載側的電壓過沖或者下沖是平平無奇的一個現(xiàn)象，如下圖所示：
圖1.同軸電壓探頭測試的電壓波形
看到3.3V的電壓軌上大概會有46mV的下沖電壓，理論上講，這是典型的瞬態(tài)響應波形，沒有任何問題，表征了負載波動對電源的影響。
- （2） 問題初現(xiàn)，疑點重重
可是有時候就是“無巧不成書”，因為當時正好有時間，所以想研究下“地彈噪聲”對系統(tǒng)的影響，所以就拿出了差分探頭測試各個接地點之間的電壓差異，順便也測了該負載在壓力測試下的電壓。這一測不得了，問題出現(xiàn)了：差分探頭測試的結果和同軸探頭測試的結果大相徑庭。如下圖：
圖2.差分探頭測試結果對比
看到差分探頭對然底噪比同軸探頭略大，但是顯然沒有同軸探頭測到的下沖電壓。其實無論是哪種結果，都沒有超過我們負載芯片電壓的SPEC要求，但是問題在于以上哪一個測試結果才是準確的？只有弄清這個問題，后續(xù)測試才能更加嚴謹。
- （3） 踏破鐵鞋無覓處
首先，假設這個噪聲是真實存在的。我們仔細測試了噪聲的頻率和幅度，發(fā)現(xiàn)其頻率和壓力測試的重復頻率完全一致，因此起初還是懷疑是地彈噪聲引起的，也就是說CPU附近的地噪聲耦合到該負載附近的GND?；蛘呔褪?2V入口處的地噪聲耦合到了該負載附近的GND。
為佐證該想法，抓取了如下波形：
圖3.12V電壓波動
看到上面12V電壓在壓力測試時候的電壓是向上波動的，就是說有一個周期性的正向脈沖，頻率大概250HZ，幅度大概180mV左右。
其實這個測試結果是可以一定程度說明之前的噪聲是地彈噪聲引起的，因為12V電壓是正向脈沖，所以其附近GND應該也會存在正向過沖，耦合到負載芯片附近的GND，自然導致其GND的正向脈沖，那負載芯片電壓對地就會有同頻同相的負向脈沖。至于這個12V的正向脈沖是怎么來的，我分析可能是PSU電源模塊到主板的電源線略長導致的LC振蕩。
為了驗證該問題，在12V入口連接器處增加了4顆到8顆270uF的電容抑制LC振蕩導致的電壓波動。測試效果如下：
圖4.加入8顆270uF電容后3.3V電壓波動
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。到這里問題似乎有了答案，但是開頭的那個始作俑者的問題依然讓人困惑，就是差分探頭為什么就測不到這個過沖呢？難道是負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，先前測到的電壓下沖會顯著減小。難道是接地不夠好導致的該問題么？其實問題研究到這里可以簡單按照地彈噪聲和示波器接地兩個原因“結案”，但差分探頭和同軸探頭的測試區(qū)別就被忽視了。那后續(xù)要以哪個探頭的測試結果為準就成了一個棘手的問題，因此還需要繼續(xù)探究一下。
- （4） 恍然大悟，撥云見日
帶著上述疑問，經過多方查詢資料以及求助泰克FAE，終于找到了一個可能的方向，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
看到圖中的待測器件是通過PSU電源供電的，示波器供電是通過電源線連接到實驗室插座的，而PSU電源的AC供電也是通過電源線連接到實驗室插座的。這樣的話，待測器件，示波器以及實驗室插座的地線就會形成一個完整的環(huán)路，此時假如采用同軸或者單端探頭去測試待測器件的電壓信號，探頭的地線就會參與進該環(huán)路。而環(huán)路會帶來天線效應，拾取空間中電磁干擾，特別是變化的電流信號會帶來電壓噪聲，耦合進入地線。
比如我們壓力測試中，電源線及其地回路上巨大的電流變化就會引起地線上的電壓噪聲，通過探頭的地耦合進入示波器。但是差分探頭的正負極互為參考，和示波器的地是隔離的，因此不會受到上述干擾，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
為了驗證上述猜想，如圖7，我們將示波器的地線切斷，也同時切斷了原來的地環(huán)路，重復以上測試。發(fā)現(xiàn)原來的電壓下沖立馬消失了，無論用同軸線還是用被動單端探頭進行測試，均沒有測到原來的噪聲電壓。因此，這一問題得到了最終的解決！
- （5） 問題總結與思考
本次電源測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題并不屬于電源設計實際存在的問題，而是測試手法引入的噪聲問題。在以往的測試中也一直存在，但是因為噪聲幅度不大，之前誤以為是壓力測試帶來的電壓噪聲，是實際存在的。但是偶然對差分探頭和單端探頭對比發(fā)現(xiàn)的差異，讓我困惑了挺久，也嘗試過很多可能的解釋。最終，本著追根究底的原則，還是把根因找到了。這個問題的解決也將“地線干擾”和“地噪聲”上升到將來測試中不能忽略的一個方面，需重點予以關注。
