【導(dǎo)讀】電源軌上微伏級的紋波噪聲，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。從消費電子到車規(guī)級應(yīng)用，再到高吞吐量的AI計算集群，如何精準(zhǔn)評估并提升電源系統(tǒng)的抗干擾能力，已成為工程師在設(shè)計驗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)。從消費電子到汽車電子，再到人工智能計算系統(tǒng)，PSRR已成為工程師在進(jìn)行電源器件選型和系統(tǒng)評估時的重要參考指標(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。噪聲可能來自電源本身的開關(guān)行為，也可能來自高速數(shù)字電路的串?dāng)_或時鐘信號的耦合。PSRR用于量化電源系統(tǒng)在面對這些輸入噪聲時，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數(shù)值，其單位為分貝（dB）。
PSRR數(shù)值越高，意味著電源對輸入噪聲的抑制能力越強，輸出電壓受到干擾的影響越小。對于需要穩(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PSRR提出更高要求
隨著電子系統(tǒng)復(fù)雜度不斷提升，對電源穩(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)計中，PSRR測試已經(jīng)成為評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，以及SerDes、PCIe、USB等高速接口系統(tǒng)，多個電源軌需要同時為高速數(shù)據(jù)處理提供穩(wěn)定供電。電源紋波可能來源于開關(guān)噪聲、諧波、數(shù)字信號串?dāng)_以及時鐘耦合等多種因素。如果電源系統(tǒng)對紋波噪聲的抑制能力不足，可能導(dǎo)致信號抖動、誤碼率上升，并最終影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
目前，PSRR測試已廣泛應(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測試常用于評估低壓差穩(wěn)壓器（LDO）的電源穩(wěn)定性，為精密電源系統(tǒng)設(shè)計提供重要參考。
在汽車電子系統(tǒng)中，車規(guī)級電源器件需要在振動、溫度變化以及復(fù)雜電磁環(huán)境下保持穩(wěn)定工作。PSRR測量能夠幫助工程師評估電源系統(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。
醫(yī)療設(shè)備同樣對電源穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求。通過PSRR測量，可以評估電源噪聲對設(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，這一問題尤為突出。AI芯片的工作電壓正在不斷降低，同時計算吞吐量卻持續(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)定運行的重要基礎(chǔ)。
下圖為一款用于AI存儲器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)運行在高算力的AI應(yīng)用場景下, 高穩(wěn)定且對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, 會有什么影響呢?
1. 對芯片數(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)失真或芯片算法錯誤, 影響芯片算法的可靠性和準(zhǔn)確性;
2. 對功耗管理和能效優(yōu)化的影響: 芯片系統(tǒng)通常需要大量的計算資源, 功耗管理和能效優(yōu)化成為關(guān)鍵問題。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. 對射頻信號處理穩(wěn)定性的影響: 在處理射頻信號以實現(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)致感知錯誤。
所有這一切使得預(yù)留給電源的紋波噪聲裕量越來越低,從而要求高精度的電源紋波噪聲抑制能力 (PSRR) 的測量。
精準(zhǔn)PSRR測量面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
從理論上講，PSRR測量需要在電源輸入端注入掃頻紋波信號，并同步測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，在實際測試過程中，隨著頻率提升至兆赫茲范圍，被測紋波信號往往只有微伏級別。這對測試系統(tǒng)提出了更高要求，包括：
極低的本底噪聲，確保測試系統(tǒng)不會淹沒真實信號
高分辨率測量能力，以捕捉微小電壓變化
的測試系統(tǒng)方案，包括信號源、注入設(shè)備和分析軟件
如果測試方案本身的性能不足，測量結(jié)果可能無法真實反映芯片性能，甚至影響產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和上市周期。
一體化PSRR測試方案提升測量可靠性
針對PSRR測試中的挑戰(zhàn)，完整的測試系統(tǒng)方案尤為重要。通過結(jié)合高性能示波器、電源軌探頭以及專業(yè)信號注入設(shè)備，可以實現(xiàn)從信號注入、數(shù)據(jù)采集到自動分析的完整測試流程。
在實際測試中，函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生掃頻信號，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，并通過分析軟件自動生成PSRR隨頻率變化的曲線。
這種集成化測試方案能夠有效降低測試復(fù)雜度，提高測量一致性與重復(fù)性。它不僅能夠幫助電源芯片設(shè)計工程師準(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)計階段更好地評估電源方案。
精準(zhǔn)測量推動電子系統(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)測量在高端芯片與復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)中正變得越來越關(guān)鍵。
在通往更智能、更高效電子系統(tǒng)的道路上，對每一毫伏電源紋波的精準(zhǔn)測量與控制，都意味著性能邊界的進(jìn)一步突破。而實現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步，正是建立可靠的PSRR測試能力。
隨著電子系統(tǒng)向更高集成度、更低電壓和更強算力演進(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)備可靠運行的基石。面對微伏級紋波噪聲可能引發(fā)的數(shù)據(jù)失真、能效下降及信號完整性惡化等風(fēng)險，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測試方案顯得尤為迫切。只有通過精準(zhǔn)的掃頻注入與同步分析，真實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)計初期有效規(guī)避風(fēng)險，優(yōu)化電源架構(gòu)。
