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(fù)載側(cè)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(yīng)波形，因?yàn)樨?fù)載在壓力測試下的劇烈變化確實(shí)會引起其電壓的波動，但是隨著測試的深入，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） 平平無奇的噪聲

在主板電源測試中，有一個測試項(xiàng)是壓力程序下的負(fù)載電源紋波&噪聲測試。其實(shí)就是評估電源設(shè)計(jì)是否能夠滿足負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)需求。在壓力測試開始后，由于負(fù)載芯片對電流需求的劇烈變化，會導(dǎo)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(fù)載電流變化非常大，也會造成其對應(yīng)的地平面電壓波動，進(jìn)而影響該負(fù)載的電壓信號質(zhì)量（地噪聲或者地彈噪聲）。所以壓力測試下測到負(fù)載側(cè)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(yīng)波形，沒有任何問題，表征了負(fù)載波動對電源的影響。

• （2） 問題初現(xiàn)，疑點(diǎn)重重

可是有時候就是“無巧不成書”，因?yàn)楫?dāng)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(diǎn)之間的電壓差異，順便也測了該負(fù)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(jié)果和同軸探頭測試的結(jié)果大相徑庭。如下圖：

圖2.差分探頭測試結(jié)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(shí)無論是哪種結(jié)果，都沒有超過我們負(fù)載芯片電壓的SPEC要求，但是問題在于以上哪一個測試結(jié)果才是準(zhǔn)確的？只有弄清這個問題，后續(xù)測試才能更加嚴(yán)謹(jǐn)。

• （3） 踏破鐵鞋無覓處

首先，假設(shè)這個噪聲是真實(shí)存在的。我們仔細(xì)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(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

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(shí)這個測試結(jié)果是可以一定程度說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)該也會存在正向過沖，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)載芯片電壓對地就會有同頻同相的負(fù)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(dǎo)致的LC振蕩。

為了驗(yàn)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(dǎo)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(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，先前測到的電壓下沖會顯著減小。難道是接地不夠好導(dǎo)致的該問題么？其實(shí)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(jié)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(jié)果為準(zhǔn)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(jīng)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(shí)驗(yàn)室插座的，而PSU電源的AC供電也是通過電源線連接到實(shí)驗(yàn)室插座的。這樣的話，待測器件，示波器以及實(shí)驗(yàn)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(jìn)該環(huán)路。而環(huán)路會帶來天線效應(yīng)，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(jìn)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(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，也同時切斷了原來的地環(huán)路，重復(fù)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(jìn)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(jié)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(shè)計(jì)實(shí)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?yàn)樵肼暦炔淮?，之前誤以為是壓力測試帶來的電壓噪聲，是實(shí)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(diǎn)予以關(guān)注。