本文包含以下部分，可點選快速連結（附詳細說明影片）
◆ 線性電源與開關式電源的比較
◆ 什麼是電源完整性（Power Integrity）？
◆ 為何電源完整性至關重要
◆ 電源完整性的時域分析－示波器的應用
◆ MXR/EXR 系列示波器的電源完整性分析套件
◆ 實測影片 1 ：使用示波器進行的頻率響應分析（波特圖測試）
◆ 實測影片 2：使用示波器進行電源抑制比（PSRR）測試
◆ 實測影片 3：使用 D9010POWA 搭配 N7020A/N7024A 進行電源與數據線間的串擾測試
◆ 實測影片 4：使用示波器進行電源質量測試
◆ 實測影片 5：高功率元件雙脈衝動態測試
◆ 實測影片 6：切換式電源開關損耗測試
◆ 實測影片 7：Inrush Current 湧浪電流分析實測
◆ 完整解析影片：電源完整性測試基本法 詳細說明與實測影片
線性電源利用串聯式穩壓架構，透過功率電晶體（如 BJT、MOSFET）在其線性區域運作來調節輸出電壓。輸入電壓高於輸出電壓，多餘的能量會以熱能形式消耗，確保輸出穩定且低雜訊。
◆ 優勢
1. 低雜訊與低 EMI（電磁干擾）：由於沒有高頻切換，輸出雜訊與輻射干擾相對較低，適合對訊號品質要求極高的應用，如音訊設備、精密測試儀器與醫療設備。
2. 輸出電壓紋波小，無需額外濾波：由於調變方式為連續控制，輸出電壓變動幅度小，減少對後級電路的影響。
◆ 限制
1. 效率較低：因為輸入電壓與輸出電壓的差值會轉化為熱能，導致功率損耗較大，效率通常低於 50%。
2. 體積較大，散熱需求高：由於功率損耗高，需要額外的散熱設計（如散熱片或風扇），不適合高功率應用。
開關式電源透過高頻切換（通常數十 kHz 至 MHz 範圍內）控制功率開關（MOSFET 或 IGBT），交替導通與截止，使電能以脈衝形式傳輸，並透過電感、電容等濾波元件進行穩壓。
◆ 優勢
1. 高效率（可達 80~95%）：透過開關模式運作，將功率損耗降至最低，適合大功率應用。
2. 體積小、重量輕：由於工作頻率高，可使用小型變壓器與濾波元件，適合便攜式設備與電源適配器。
◆ 限制
1. 高頻開關會產生 EMI（電磁干擾）與雜訊：需額外設計濾波與屏蔽來降低對周邊電路的影響。
2. 設計較為複雜：需要精確的控制迴路來維持穩壓，且不同應用需要針對 EMI、負載調節等因素進行優化。
無論是線性電源還是開關式電源，各有其優勢與適用範圍，工程師在選擇時需根據系統需求、效率、雜訊影響、功耗等因素進行評估，以達到最佳的供電效能與穩定性。
電源完整性（PI）是電子產業中廣泛使用的術語，指的是分析系統中電源如何有效地從電源轉換並傳送到負載。電源會透過配電網路（PDN）進行傳送，其中配電網路由電源到負載間的被動元件和互連元件所組成，並包含封裝到半導體。通常包括從直流到數 GHz 的量測值。幾個常見的 PI 量測值為：
- PARD：週期性和隨機偏差，此為業界常用術語，是直流輸出與其平均值之偏差加上其他所有參數常數。也是在調節和濾波電路之後，保留在直流輸出中的不良交流與雜訊元件量測值。量測時採用 RMS 或峰對峰值，後者在 20 Hz 至 20 MHz 頻寬範圍內較為常用。在 20 Hz 以下發生的類似 PARD 變異通常稱為漂移。
- 負載響應：可指靜態或暫態負載，即電源供應器將預定負載維持在指定輸出限制內的 方法。通常包含電源供應器的暫態恢復時間量測值，以回應負載之要求，在預定穩定 區段內趨穩。
- 雜訊：直流電源與其標稱值間的偏差。可能包括隨機雜訊（如熱雜訊），以及雜波信 號，如來自相鄰電路或 PARD 和負載響應的切換耦合。
電源完整性直接影響系統的穩定性與可靠性，若電壓供應不穩定，可能會導致：
- 系統運行異常：晶片或處理器無法正常工作。
- 訊號完整性問題：時脈與數據信號抖動（Jitter）增加。
- EMI/EMC 問題：不穩定的電源可能產生不必要的電磁干擾（EMI）。
- 能效降低：額外的功耗與熱量產生影響效率。
◆ 電源漣波與雜訊測試
在進行電源漣波與雜訊測試前，工程師需要先決定測試的環境：是系統內測量（In-system）還是系統外測量（Out-of-system），以及採用直接測量（Direct Measurement）還是間接測量（Indirect Measurement）。
此外，還需要選擇合適的測試範疇：時域（Time Domain）或頻域（Frequency Domain）。以訊號測量為例，直接測量是指對電源漣波或雜訊進行絕對量測，而間接測量則關注雜訊對系統的影響。例如，ADC（模數轉換器）的時脈抖動（Clock Jitter）與電源雜訊息息相關，透過測量時脈抖動來評估電源雜訊，在許多情境下比單純量測電壓雜訊更具實用價值。
工程師通常會選擇示波器來測量電源漣波與雜訊，主要有以下幾個優勢：
1. 時域分析：示波器可直觀地呈現紋波與雜訊的即時變化，讓工程師能清楚觀察訊號的瞬態行為。
2. 系統內測量（直接測量）：搭配合適的探棒（如 N7020A 1:1 電源探棒），可確保低雜訊條件下的高精度測量，適用於分析敏感的電源訊號。
3. 系統外測量（間接測量）：示波器內建多種軟硬體功能，支援更高層級的系統級測試，包括：
- 電源完整性串擾分析軟體，用於評估電源雜訊對訊號品質的影響。
- 內建任意波形產生器，可用於波特圖分析（Bode Plot, 環路響應測試），幫助優化電源控制迴路的穩定性。
- PSRR（電源抑制比）測試，評估電源對漣波與雜訊的抑制能力，以確保電源供應品質。
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◆ MXR/EXR 系列示波器的電源完整性分析套件
- 透過輸入分析、開關元件特性評估、輸出分析，自動化測試開關電源的各項電源特性。 2. 頻域分析工具 – D9010PWRA 頻率響應測試 - 內建任意波形產生器（AWG），可進行頻率響應分析，用於測試電源抑制比（PSRR） 與波特圖（Bode Plot），評估電源控制環路的穩定性。
- 搭配 N7020A / N7024A 電源軌探棒，可量測直流電源的漣波、雜訊及瞬態變化。
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波特圖（Bode Plot）測試主要透過 增益裕量（Gain Margin, GM） 和 相位裕量（Phase Margin, PM） 來評估電源控制環路的穩定性：
- 當增益裕量與相位裕量皆大於 0，則電路不會發生震盪。
- 裕量越大，系統穩定性越高，可有效降低電源供應的過衝、震盪與瞬態響應問題。
透過 Keysight MXR / EXR 系列示波器的頻率響應分析軟體（D9010PWRA），可搭配內建任意波形產生器（AWG），直接進行環路增益與相位測試，提供即時的頻域分析結果，幫助工程師優化電源控制迴路設計。
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頻率響應分析實測影片
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電源抑制比（PSRR, Power Supply Rejection Ratio）是衡量 DC-DC 轉換器從輸入端（VIN）到輸出端（VOUT）對雜訊的抑制能力。PSRR 測試需涵蓋較寬的頻率範圍，並以對數尺度繪製頻率響應曲線，以分析電源對不同頻率漣波的抑制效果。
在 Keysight Infiniium MXR/ EXR 系列示波器上，工程師可利用內建的 WaveGen 任意波形產生器，根據使用者設定的起始頻率與停止頻率進行掃頻輸入測試，並同步量測每個頻率點的 VIN 與 VOUT，從而獲取 PSRR 數據並繪製頻率響應曲線。
這項測試可幫助工程師評估電源模組（PMIC）、LDO、DC-DC 轉換器在不同頻段的抗干擾能力，進而優化設計，降低系統對電源雜訊的敏感度。
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電源抑制比（PSRR）實測影片
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在高速數位電路設計中，直流電源的雜訊可能影響串行數據鏈路的訊號品質，這種影響通常被稱為電源串擾（Power Rail Crosstalk）。透過 Keysight D9010POWA 電源完整性分析軟體，搭配 N7020A/N7024A 電源探棒，來分析電源雜訊對數據信號的影響。
D9010POWA 可利用數據分析來剔除電源雜訊的影響，並比較原始數據與經過電源雜訊補償後的訊號品質。這種分析方法可幫助工程師：
◆ 評估電源漣波對高速串行訊號的影響，如 PCIe、USB、DDR 介面等。
◆ 優化電源設計，減少電源雜訊對數據傳輸的干擾，提高系統穩定性。
◆ 降低設計迴圈成本，無需反覆修改電源模組，即可透過軟體分析擬定最佳解決方案。
透過 D9010POWA + N7020A/N7024A，工程師可高效識別電源雜訊對數據信號的影響，確保高速數位系統的訊號完整性與可靠度。
使用D9010POWA + N7020A/N7024A 實測 Ripple Noise |
電源質量測試（Power Quality Testing）旨在確保電源供應穩定，符合電子系統的需求，避免因電壓波動、紋波、瞬態干擾等因素影響設備運作。影片中使用 Keysight EXR 系列示波器搭配 D9010PWRA 電源供應器測試軟體，可輕鬆測得有效功率、無效功率、功率係數、電流諧波、湧浪電流等，這項測試可幫助工程師確保 DC-DC 轉換器、LDO、PMIC 在不同應用場景下維持穩定供電，優化設計並提升系統可靠度。
電源質量測試與電源分析 |
雙脈衝測試（DPT） 是評估高功率元件（如 MOSFET、IGBT、SiC/GaN 元件） 動態性能的標準方法，主要用於分析開關特性、導通與關斷損耗，以及反向恢復特性。
影片中的測試平台架設：
◆ 使用 E36300 系列電源供應器供電給待測物
◆ 使用 33600 系列波型產生器編輯一個雙脈衝波型輸出來驅動
◆ VDS 使用 DP0001A 高壓差動探棒測試，並使用 1147B 電流探棒測試電流
◆ 使用 EXR 系列示波器進行測試
透過雙脈衝測試，工程師能夠更精確評估功率元件在高功率、高頻應用下的動態行為，進而優化電源與功率轉換系統的設計，提升整體效率與穩定性。
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高功率元件雙脈衝測試 |
要分析切換式電源供應器的運作特性，您需使用示波器進行廣泛的量測。 此外還須分析電源供應器的輸入、切換和輸出， 並進行電源拒斥比（PSRR）和控制迴路響應等頻率響應量測。執行這些測試時，需使用配備功率量測選項的示波器、偏移校正夾具、高壓差動式探棒、電流探棒和被動式電壓探棒。 偏移校正夾具可消除探棒之間的傳播延遲差異，以實現更準確的量測。 時序校正對於開關損耗測試至關重要。 在電晶體切換開啟和關閉階段，時間延遲可能導致功率和電能量測出現明顯的差異。
影片中的測試平台架設：
◆ 使用 E36300 系列電源供應器供電給待測物
◆ 使用 33600 系列波型產生器編輯一個 100 KHz 方波輸出驅動
◆ DP0001A 高壓差動探棒測試下管 VDS，並使用 1147B 電流探棒測試電流
◆ 使用 EXR 系列示波器 搭配 D9010PWRA 電源分析軟體進行測試
透過此測試，工程師可精確分析功率元件開關行為，進一步優化開關式電源供應器的效率與可靠性。
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切換式電源開關損耗測試 |
浪湧電流分析用於測量電源啟動時的峰值輸入電流（正向或負向）。由於此測試僅捕捉單次事件，因此不適用 AutoSetup（AutoSetup 適用於重複輸入訊號的測量）。在進行測試前，您需要手動輸入預估的浪湧電流峰值以及穩態的峰對峰電壓，以便示波器能夠設定合適的垂直刻度，確保數據準確呈現。設定完成後，您可以依照示波器的逐步指引進行單次測量（Single Capture），即時觀察電源啟動時的浪湧電流特性，進一步分析系統的啟動行為與保護機制。
在進行湧浪電流測試時，請選擇 “Inrush Current” 測量模式，並依照以下步驟操作：
1. 設定量測探棒：
- 按下 “Signals” 軟鍵，示波器將顯示簡化連接示意圖，指導您如何正確連接電壓探棒與電流探棒。
2. 輸入預估參數：
- 設定預期的峰值湧浪電流與輸入峰對峰電壓（Vpp）。這些參數將用於調整示波器的時間基準（Timebase）與垂直靈敏度（V/div、I/div）。
- 若不確定峰值湧浪電流，可先進行測試後再重新調整設定。
3. 執行測試：
- 按下 “Apply” ，並依照指引執行測試。關閉電源供應器，等待示波器提示後重新開啟電源。
- 當示波器偵測到輸入電壓變化時，將自動觸發 單次捕捉（Single-Shot Acquisition），並顯示峰值湧浪電流測量結果。
4. 重複測試，確保準確性：
- 為了獲得最大峰值湧浪電流，建議進行多次測試，因為湧浪電流的峰值會受電源開啟瞬間的相位影響，導致不同測試條件下數值有所變動。
透過此測試，工程師可準確分析電源啟動時的湧浪電流行為，進一步優化電源設計與保護機制，確保系統的可靠性與安全性。
Inrush Current 湧浪電流分析實測 |
電源完整性測試對電子系統的穩定性至關重要，從漣波雜訊測試、PSRR 分析、頻率響應測試、雙脈衝測試到湧浪電流分析，每個環節都影響系統效能與可靠性。立即填寫表單以查看【電源完整性測試基本法】完整解析影片，並了解如何透過 Keysight 示波器 + 先進測試軟體，高效解決電源測試挑戰！
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