文章伊始，首先祝大家2025新春快乐，事事如意，身体健康，蛇年大吉！
下面正文开始：
最近在做系统压力测试下的主板电源纹波测试时候遇到一个问题：系统压力测试程序跑起来后，测到的负载侧电源电压有明显的过冲和下冲。起初以为这个过冲和下冲是正常的电压瞬态响应波形，因为负载在压力测试下的剧烈变化确实会引起其电压的波动，但是随着测试的深入，发现其实另有原因（下面让我们进入本期“走近科学”^.^）。
- （1） 平平无奇的噪声
在主板电源测试中，有一个测试项是压力程序下的负载电源纹波&噪声测试。其实就是评估电源设计是否能够满足负载的瞬态响应需求。在压力测试开始后，由于负载芯片对电流需求的剧烈变化，会导致其供电电压轨的塌陷（通俗讲就是电压波动）。另外假如邻近负载电流变化非常大，也会造成其对应的地平面电压波动，进而影响该负载的电压信号质量（地噪声或者地弹噪声）。所以压力测试下测到负载侧的电压过冲或者下冲是平平无奇的一个现象，如下图所示：
图1.同轴电压探头测试的电压波形
看到3.3V的电压轨上大概会有46mV的下冲电压，理论上讲，这是典型的瞬态响应波形，没有任何问题，表征了负载波动对电源的影响。
- （2） 问题初现，疑点重重
可是有时候就是“无巧不成书”，因为当时正好有时间，所以想研究下“地弹噪声”对系统的影响，所以就拿出了差分探头测试各个接地点之间的电压差异，顺便也测了该负载在压力测试下的电压。这一测不得了，问题出现了：差分探头测试的结果和同轴探头测试的结果大相径庭。如下图：
图2.差分探头测试结果对比
看到差分探头对然底噪比同轴探头略大，但是显然没有同轴探头测到的下冲电压。其实无论是哪种结果，都没有超过我们负载芯片电压的SPEC要求，但是问题在于以上哪一个测试结果才是准确的？只有弄清这个问题，后续测试才能更加严谨。
- （3） 踏破铁鞋无觅处
首先，假设这个噪声是真实存在的。我们仔细测试了噪声的频率和幅度，发现其频率和压力测试的重复频率完全一致，因此起初还是怀疑是地弹噪声引起的，也就是说CPU附近的地噪声耦合到该负载附近的GND。或者就是12V入口处的地噪声耦合到了该负载附近的GND。
为佐证该想法，抓取了如下波形：
图3.12V电压波动
看到上面12V电压在压力测试时候的电压是向上波动的，就是说有一个周期性的正向脉冲，频率大概250HZ，幅度大概180mV左右。
其实这个测试结果是可以一定程度说明之前的噪声是地弹噪声引起的，因为12V电压是正向脉冲，所以其附近GND应该也会存在正向过冲，耦合到负载芯片附近的GND，自然导致其GND的正向脉冲，那负载芯片电压对地就会有同频同相的负向脉冲。至于这个12V的正向脉冲是怎么来的，我分析可能是PSU电源模块到主板的电源线略长导致的LC振荡。
为了验证该问题，在12V入口连接器处增加了4颗到8颗270uF的电容抑制LC振荡导致的电压波动。测试效果如下：
图4.加入8颗270uF电容后3.3V电压波动
上图中可以看到，加入电容后比原先有5mV左右的下冲噪声改善。到这里问题似乎有了答案，但是开头的那个始作俑者的问题依然让人困惑，就是差分探头为什么就测不到这个过冲呢？难道是负载附近的地和电源轨恰巧出现了同频同相同幅度的电压变化？
而且还有一些细节现象也值得思考：
图5.示波器接地后波形
假如将示波器和主板的GND用额外的线缆连接，先前测到的电压下冲会显著减小。难道是接地不够好导致的该问题么？其实问题研究到这里可以简单按照地弹噪声和示波器接地两个原因“结案”，但差分探头和同轴探头的测试区别就被忽视了。那后续要以哪个探头的测试结果为准就成了一个棘手的问题，因此还需要继续探究一下。
- （4） 恍然大悟，拨云见日
带着上述疑问，经过多方查询资料以及求助泰克FAE，终于找到了一个可能的方向，就是地环路干扰。其原理如下图所示：
图6.地线回路示意图
看到图中的待测器件是通过PSU电源供电的，示波器供电是通过电源线连接到实验室插座的，而PSU电源的AC供电也是通过电源线连接到实验室插座的。这样的话，待测器件，示波器以及实验室插座的地线就会形成一个完整的环路，此时假如采用同轴或者单端探头去测试待测器件的电压信号，探头的地线就会参与进该环路。而环路会带来天线效应，拾取空间中电磁干扰，特别是变化的电流信号会带来电压噪声，耦合进入地线。
比如我们压力测试中，电源线及其地回路上巨大的电流变化就会引起地线上的电压噪声，通过探头的地耦合进入示波器。但是差分探头的正负极互为参考，和示波器的地是隔离的，因此不会受到上述干扰，也因此就杜绝了电压噪声的耦合。
图7.切断地线回路示意图
为了验证上述猜想，如图7，我们将示波器的地线切断，也同时切断了原来的地环路，重复以上测试。发现原来的电压下冲立马消失了，无论用同轴线还是用被动单端探头进行测试，均没有测到原来的噪声电压。因此，这一问题得到了最终的解决！
- （5） 问题总结与思考
本次电源测试过程中发现的问题并不属于电源设计实际存在的问题，而是测试手法引入的噪声问题。在以往的测试中也一直存在，但是因为噪声幅度不大，之前误以为是压力测试带来的电压噪声，是实际存在的。但是偶然对差分探头和单端探头对比发现的差异，让我困惑了挺久，也尝试过很多可能的解释。最终，本着追根究底的原则，还是把根因找到了。这个问题的解决也将“地线干扰”和“地噪声”上升到将来测试中不能忽略的一个方面，需重点予以关注。
