电源“免疫力”决定芯片稳定性PSRR测试为何越来越关键
随着芯片制程持续微缩、工作电压不断降低，以及算力需求的指数级增长， 电源 系统的稳定性正在成为影响电子系统可靠性的关键因素。 电源 轨上微小的纹波噪声，可能导致精密AI算法产生偏差，甚至引发汽车电子系统的误判。如何量化评估 电源 系统抵御干扰的能力，已成为工程师在设计和验证电源管理方案时必须面对的问题。
在众多电源性能指标中，电源抑制比正逐渐成为衡量电源系统抗干扰能力的重要参数。从消费电子到汽车电子，再到人工智能计算系统， PSRR 已成为工程师在进行电源器件选型和系统评估时的重要参考指标。
PSRR ：衡量电源抗干扰能力的重要指标
在实际电子系统中，电源输入端通常处于复杂的电磁环境之中。噪声可能来自电源本身的开关行为，也可能来自高速数字电路的串扰或时钟信号的耦合。PSRR用于量化电源系统在面对这些输入噪声时，保持输出端电压稳定和纯净的能力。
从定义上看，PSRR表示输入端纹波电压与输出端纹波电压之比的对数值，其单位为分贝（dB）。
PSRR数值越高，意味着电源对输入噪声的抑制能力越强，输出电压受到干扰的影响越小。对于需要稳定供电的芯片系统而言，更高的PSRR意味着更“干净”的电源环境。
高性能系统对PSRR提出更高要求
随着电子系统复杂度不断提升，对电源稳定性的要求也在持续提高。在电源管理芯片（PMIC）以及电源稳压器、放大器等电路设计中，PSRR 测试 已经成为评估器件性能的重要手段。
在典型的高性能电子系统中，例如GPU、SoC、FPGA等处理器平台，以及SerDes、PCIe、USB等高速接口系统，多个电源轨需要同时为高速数据处理提供稳定供电。电源纹波可能来源于开关噪声、谐波、数字信号串扰以及时钟耦合等多种因素。如果电源系统对纹波噪声的抑制能力不足，可能导致信号抖动、误码率上升，并最终影响系统稳定性。
目前，PSRR 测试 已广泛应用于精密工业、汽车电子、医疗设备以及人工智能等领域。
在精密工业领域，PSRR 测试 常用于评估低压差稳压器（LDO）的电源稳定性，为精密电源系统设计提供重要参考。
在汽车电子系统中，车规级电源器件需要在振动、温度变化以及复杂电磁环境下保持稳定工作。PSRR测量能够帮助工程师评估电源系统在严苛工况下的抗干扰能力，从而支持功能安全设计。
医疗设备同样对电源稳定性有着严格要求。通过PSRR测量，可以评估电源噪声对设备精度和稳定性的影响，从而确保诊断数据的可靠性。
在人工智能系统中，这一问题尤为突出。AI芯片的工作电压正在不断降低，同时计算吞吐量却持续提升。电源轨上的微小纹波噪声，都可能导致计算误差、算法偏差或功耗管理效率下降。因此，高PSRR电源系统已成为AI芯片稳定运行的重要基础。
下图为一款用于AI存储器LPDDR，其工作电压低至0.5V，预留给电源的纹波噪声裕量越来越小。
鉴于其低电压的电源需求及高吞吐量的特性, 如果要保障其持续运行在高算力的AI应用场景下, 高稳定且对纹波噪声高抑制能力的电源供应是必要的保障, 如果电源纹波噪声抑制能力不够, 会有什么影响呢?
1. 对芯片数据与算法的影响: 电源微小的纹波噪声可能导致芯片数据失真或芯片算法错误, 影响芯片算法的可靠性和准确性;
2. 对功耗管理和能效优化的影响: 芯片系统通常需要大量的计算资源, 功耗管理和能效优化成为关键问题。纹波噪声抑制力差直接影响电源的优化, 降低 系统的能效;
3. 对射频信号处理稳定性的影响: 在处理射频信号以实现通信或感知功能的应用中, 电源纹波噪声直接影响通信质量并可能导致感知错误。
所有这一切使得预留给电源的纹波噪声裕量越来越低,从而要求高精度的电源纹波噪声抑制能力 (PSRR) 的测量。
精准PSRR测量面临的技术挑战
从理论上讲，PSRR测量需要在电源输入端注入扫频纹波信号，并同步测量输入与输出端的残余纹波，从而获得电源抑制比在不同频率下的变化曲线。
然而，在实际测试过程中，随着频率提升至兆赫兹范围，被测纹波信号往往只有微伏级别。这对测试系统提出了更高要求，包括：
极低的本底噪声，确保测试系统不会淹没真实信号
高分辨率测量能力，以捕捉微小电压变化
完整的测试系统方案，包括信号源、注入设备和分析软件
如果测试方案本身的性能不足，测量结果可能无法真实反映芯片性能，甚至影响产品研发进度和上市周期。
一体化PSRR测试方案提升测量可靠性
针对PSRR测试中的挑战，完整的测试系统方案尤为重要。通过结合高性能示波器、电源轨探头以及专业信号注入设备，可以实现从信号注入、数据采集到自动分析的完整测试流程。
在实际测试中，函数信号发生器产生扫频信号，经线性注入器耦合到电源输入端。随后，示波器同步采集输入和输出端的纹波信号，并通过分析软件自动生成PSRR随频率变化的曲线。