6月5日|从频域的角度看电源完整性——百安级大算力下的供电挑战

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电源完整性分析对象主要是电源分配网络PDN（Power Distribution Network），要测量PDN性能，首先需要用示波器测试GPU和IC管脚的电源纹波和噪声。但是要进一步诊断PDN的性能，还需要测试PDN的输出阻抗（随频率变化的阻抗）。由于现在的PDN大都是开关电源结构，还需要测量PDN或关键DC-DC转换器件的环路增益。

开关式直流－直流 (DC-DC) 转换器/电压调节器在保证电路板供电电路 (PDN) 中的电源完整性方面发挥着重要作用(无论负载如何变化，都可以提供稳定的 Vdd 电压)。PDN通常包括裸露印刷电路(PC)板电源布线层、DC-DC 转换器和无源 PDN 器件(例如在电源布线层上的旁路电容)。

随着算力大幅增加，PDN的一个最重要发展趋势就是，其负载器件(例如 GPU、FPGA、ASIC)的工作速度越来越快，而工作电压越来越低(0.8 V、0.65 V 等)，工作电流却是越来越大(100A、200A甚至更大)。

为了适应这种趋势，业界开始非常普遍地在电子设备中采用分布式供电的设计，其中低电压 DC-DC 变换器总是放置在与负载器件非常接近的位置 — 即所谓负载点(point-of-load)的附近，以提高高性能计算系统供电的完整性，为使DC-DC转换器能对高速大规模集成电路的负载变化快速做出响应，在对PDN进行设计时，充分考虑其性能的优化比以往任何时候都显得很重要，因为在实际应用中往往需要在反馈环路的响应速度和工作的稳定性之间取得很好的平衡。

为了最大程度地降低由于较大的负载电流变化造成的供电电压的瞬时波动，确保供电电压稳定在非常小的波动范围内，验证 DC-DC 转换器的输出阻抗是否被限制在毫欧量级的极低范围内是非常重要的。

另外，PDN 设计还需要超出 DC-DC 变换器环路带宽的频率范围 ——这是无源 PDN 器件抑制电源和接地布线层之间的阻抗的频率范围。实际上对无源 PDN 器件，精确地了解每个无源 PDN 器件的特征性能有助于在使用仿真工具设计 PDN 时提高设计质量。另外，在把无源器件都安装到PDN上之后再测量出 PCB 板的整个PDN阻抗，我们就可以验证产品的最终阻抗是不是理想地达到了在仿真中所期望的值。通常情况下，需要进行测量的频率可以高达几百MHz甚至GHz的范围，这是抑制已经在电路板上装有无源器件的 PDN 的阻抗的上限频率。

能够对毫欧量级的微小阻抗进行精确测量的方法是并联-直通法，并联－直通法在 50 Ω 以下直到非常小的阻抗范围的阻抗都具有非常高的灵敏度，是测量 PDN 阻抗的常用方法。

下图是测量方法的简化示意图。将被测器件并联在激励信号线和接地线之间，然后测量传输系数S21。然后从S21推导出被测器件的阻抗，S21表示由非常小的并联阻抗导致的很大的衰减。被测器件的阻抗 Zdut 和 S21 之间的关系为：Zdut = 25 x S21/(1-S21)。

下图左边的轨迹是在转换器和电子负载关闭的情况下表示的 | Z | 的测量结果。如图所示，转换器在断电状态下的输出阻抗指示的是转换器的输出电容器的自谐振阻抗响应。右边的轨迹是在 0.3 A 负载条件下测量到的 | Z | 的轨迹。如图所示，通过转换器的反馈回路的作用，在低频范围内| Z | 值被限制在 2 mΩ 以下。由于增益相位TR测试端口独特的接收机体系结构，E5061B 能够正确测量毫欧级的小阻抗，甚至在 10 Hz 以下的测量频率，测量结果也不会受到激励源和接收机之间测试电缆接地环路的影响。

E5061B 低频 - 射频网络阻抗分析仪的选件 3L5 可以在从5 Hz 至 3 GHz 的率范围内提供常用的网络测量和阻抗分析功能。功能全面的低频网络测量能力 (包括内置的 1 MΩ 输入) 都被完美地集成到这个高性能的射频网络阻抗分析仪之中。E5061B-3L5 是研发环境中进行器件和电路测量的理想仪表和工具，选件005提供阻抗参数和等效电路分析。

E5061B-3L5网络分析仪

E5061B-3L5 在其完全能够测量的从5 Hz到3 GHz的频率范围都有非常高的动态范围，这可以使您对各种几乎从直流到射频的器件进行测试。

使用S参数测试端口S21

增益相位测试端口可以在从 5 Hz 到 30 MHz 的低频测量范围内直接把测试信号接入测量接收机。内置的 1 MΩ输入使您能够使用测量探头轻松地对所测电路内的放大器和直流 - 直流转换器的控制环路的参数进行测量。接收机端口可以精确地测量放大器的 CMRR/PSRR 和 PDN 毫欧量级的输出阻抗，并且消除了测量中接地环路引入的测量误差。

直流到直流传输阻抗测量和环路增益测量

E5061B-3L5 内置的直流偏置源可以从仪表内部把最高可达 ±40 Vdc 的直流偏置电压叠加到从端口 1 或 LF OUT端口上输出的交流信号上。此外，如果在仪表的 S 参数测试端口上对被测器件进行测量时，它还可以从 LF OUT端口输出直流电压。