Leistungsintegrität im Stromverteilernetz sichern: Messstrategien für PDN.

Stromverteilernetze zuverlässig auslegen.

Stromverteilernetze (PDN, Power Distribution Networks) müssen empfindliche Lasten wie Prozessoren, DSPs, FPGAs oder ASICs mit mehreren rauscharmen DC-Schienen versorgen. Gleichzeitig verschärfen steigende Taktraten, höhere Integrationsdichten sowie sinkende Spannungen bei höheren Strömen die Anforderungen an Signal- und Power-Integrity. Das Ziel von Power-Integrity-Messungen ist deshalb, verlässlich nachzuweisen, dass Spannung und Strom am Point of Load (POL) unter allen relevanten Betriebsbedingungen innerhalb der Spezifikation bleiben. Ein rauscharmer Messaufbau für präzise Rauschmessungen im Millivolt-Bereich bis in den GHz-Frequenzbereich ist hierbei besonders wichtig.

Breitbandige PDN-Impedanzmessung.

Für die stabile Versorgung von FPGAs, Prozessoren und anderen komplexen ICs muss die Impedanz des PDN über einen breiten Frequenzbereich niedrig bleiben, damit schnelle Lastwechsel nicht zu Transienten oder Rauschen führen. Impedanzmessungen eines Netzwerkdesigns sollen kontrollierte Impedanzwerte sicherstellen. Die Messung erfolgt klassischerweise mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) oder mit einem MSO-Oszilloskop und zugehöriger Analysesoftware, Signalgenerator und Trenntransformator. So lässt sich das Verhalten der Stromschiene zuverlässig zu bewerten.

HF-Messungen ohne Belastung.

Für präzise Rauschmessungen im MHz- bis GHz-Bereich mit sehr kleinen Amplituden (Millivolt) reichen klassische 10:1- oder 1:1-Tastköpfe oft nicht aus, weil sie entweder das Nutzsignal dämpfen, die Bandbreite begrenzen oder die Schaltung zu stark belasten. Der ideale Tastkopf für Stromschienen-Messungen kombiniert eine hohe DC-Impedanz mit HF-tauglichem 50-Ω-Verhalten und ermöglichen so breitbandige, rauscharme Messungen bei minimaler Lasteinwirkung.

Produktempfehlungen.

Jitter-Diagnose im PDN.

Störungen auf den Stromschienen übertragen sich häufig als Jitter auf High-Speed-Datensignale und beeinträchtigen so die Signalintegrität. Für eine schnelle, präzise Ursachenanalyse sollten Jitter und Power Integrity sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich untersucht werden.

Der Vergleich von periodischen Jitterfrequenzen (PJ) im TIE-Spektrum ((Time Interval-Error, Zeitintervallfehler) mit Ausschlägen im Power-Ripple-Spektrum ist eine schnelle und genaue Methode, um Probleme mit der Signalintegrität zu identifizieren, die durch das PDN verursacht werden. Für die Analyse ist ein Oszilloskop erforderlich, das sowohl über gute Spektrumanalyse-Funktionen verfügt als auch eine gute Jitter-Analyse ermöglicht.

Mit der Spektrumanalyse zur Rauschquelle.

Über die Spektrumanalyse lassen sich Störgeräusche auf Stromschienen auf ihre Ursachen zurückführen, zum Beispiel DC-DC-Wandler, PLLs, Taktgeber oder Übersprechen. Hierzu werden die Rauschfrequenzen mit Schaltfrequenzen und Oberwellen korreliert. Dies kann mit einem Spektrumanalysator erfolgen, der mit einer DC-Sperre an die Stromschiene angeschlossen wird.

Alternativ lassen sich mit der Spektrumanalyse-Funktion moderner MSO-Oszilloskope gleichzeitig synchronisierte Spektren im Zeitbereich und Wellenformen im Frequenzbereich betrachten, was die Fehlersuche deutlich effizienter macht.