揭秘電源完整性 (PI) 與 EMI 除錯：為何 12-bit 示波器是關鍵？

在當今的科技競賽中，無論是驅動 AI 伺服器的強大 GPU、電動車 (EV) 中的 GaN 功率轉換器，還是次世代的車用乙太網，所有創新的共同點，就是對「乾淨電源」的極度渴求，然而，系統速度越快、功率密度越高，產生的「電子雜訊」就越失控。

這些微伏特 (µV) 等級的雜訊，就像是潛伏在系統中的「幽靈」，它們會隨機導致系統當機、數據錯誤，甚至讓產品無法通過法規認證，傳統的 8-bit 示波器在這些挑戰面前，形同「色盲」，它們無法看清藏在巨大電壓下的微小漣波。

這就是「電源完整性 (PI) 與 EMI 除錯」技術躍居核心的原因，沒有精準的 PI 與 EMI 測試，就無法保證 AI 晶片能穩定運行、電動車能安全駕駛，本文將深入解析，為何新一代的測試技術，特別是具備高解析度 ADC (如 12-bit) 的量測儀器，是確保這一切得以實現的關鍵拼圖。

原理與曠世挑戰

過去的測試瓶頸：為何傳統方法已不敷使用？

過去數十年，工程師依賴的主力工具是 8-bit 示波器，8-bit 代表它將電壓訊號的「全貌」切割成 2 的八次方 = 256 個階梯，這在過去的 5V 或 3.3V 數位邏輯時代，已足夠使用。

但現在的挑戰是「高動態範圍」(High Dynamic Range)，想像一個場景：研發工程師需要在一條 48V 的電動車電源軌上，去觀看僅有 0.01V (10mV) 的雜訊漣波。

• 使用 8-bit 示波器： 為了看到 48V 的全貌，儀器必須設定在一個很大的電壓範圍，這 256 個階梯中，每一個階梯可能就代表 0.2V (200mV)，在這種解析度下，那 10mV 的漣波根本「小於一個階梯的高度」，它被儀器自身的量化雜訊所淹沒，完全無法被觀測，這就是所謂的「看不到」。

  
  

• 傳統的解決方案： 工程師會使用 AC 耦合，試圖「濾掉」48V 的直流成分，只看漣波，但這種方法會錯失關鍵的「暫態」事件，例如當系統負載瞬間變化時，電源軌發生的巨大壓降 (Droop)，而這往往是系統當機的主因。

核心測試原理是什麼？

新一代的測試原理，不再是「時間」或「頻率」的單一維度分析，而是「時頻同體」的雜訊獵捕，並建立在「高解析度」的基礎上。

1. 電源完整性 (PI) - 確保水管壓力穩定

PI 測試的本質，是把電源軌 (Power Rail) 當作一條精密的水管，晶片 (如 CPU) 就是用水的終端，當 CPU 突然從休眠轉為全速運算，就像瞬間打開所有水龍頭，PI 測試就是要確保這條水管的「水壓」（即電壓）不會瞬間崩跌。

• 測什麼： 量測電源軌上的漣波 (Ripple)、雜訊 (Noise) 與暫態響應 (Transient Response)。

• 為何這樣測： 使用 12-bit ( 4096 階) 或更高解析度的示波器，並搭配低雜訊的電源軌探棒。高解析度 ADC 就像一把擁有「毫米」刻度的尺，讓工程師即使在 48V 的滿量程下，依然有足夠的「階梯」去精準解析那 10mV 的微小漣波。

2. EMI 除錯 - 找出是誰在「大吼」

EMI (電磁干擾) 則是找出系統中的「雜訊源頭」，例如，一個 GaN 功率開關以極高速度 (極短的 ns 級上升時間) 運作時，會產生強烈的電磁輻射。

• 測什麼： 這些輻射的「頻率」與「強度」。

• 為何這樣測： 傳統上，這需要昂貴的頻譜分析儀。但新一代的示波器整合了強大的「頻譜分析」功能。它能即時將時域的波形轉換為頻域的頻譜。工程師可以一手拿著近場探棒在電路板上「嗅探」，一邊看著示波器的頻譜畫面。當探棒靠近雜訊源 (如某個電感或晶片) 時，特定頻率的「尖刺」就會瞬間拉高。

新一代測試技術的突破點

新一代的 T&M 技術，正是為了解決上述「看不到」、「抓不到」的痛點。

1. 高解析度 ADC (12-bit 起跳)： 這是最核心的突破，它提供了 16 倍於 8-bit 示波器的垂直解析度。這讓「在 48V 上看 10mV 漣波」從不可能變為日常。
   

2. 極速波形更新率： 許多系統錯誤是「偶發」的，可能一秒鐘才出現一次，傳統示波器更新緩慢，像一台慢速快門相機，很容易錯過，新一代儀器擁有每秒數百萬次的波形更新率，像一台高幀率攝影機，能快速捕捉到這些罕見的「異常事件」或「雜訊毛刺」(Glitch)。

   
   

3. 時頻關聯分析 (Time-Frequency Correlation)： 這是最高效的除錯手段，當工程師在頻譜上看到一個 500 MHz 的雜訊尖刺時，他可以在示波器上「圈選」這個尖刺，儀器會自動反推，找出這個雜訊是在時域的「哪一個瞬間」（例如：哪一個 GaN 開關導通時）所產生的，這讓雜訊源的定位效率提升了數十倍。

產業影響與應用

完整驗證藍圖：從研發到量產的挑戰

挑戰一：研發階段的電源軌完整性 (PI) 驗證

挑戰描述： AI 晶片或車用 ECU 的電源需求極為複雜，需要十幾組甚至數十組獨立的電源軌，研發人員必須確保每一條電源軌在各種負載條件下（從休眠到全速）都絕對穩定。

核心測試工具與技術要求：

• 儀器類型： 高解析度示波器 (High-Definition Oscilloscope)、低雜訊電源軌探棒。

• 關鍵規格： 必須具備 12-bit 或更高的垂直解析度，以及極低的儀器底層雜訊，頻寬需求視切換速度而定，通常 500 MHz 至 1.5 GHz 即可涵蓋多數 GaN/SiC 的切換諧波，同時需要「長記憶體」，才能長時間擷取電源變動的趨勢。

挑戰二：除錯階段的 EMI 雜訊源定位

挑戰描述： 產品在電波暗室 (Chamber) 進行法規認證 (如 CISPR 25) 時宣告失敗，工程師必須在實驗桌上找出是哪一個元件（如 DC-DC 轉換器、時脈電路）產生了超標的電磁輻射。

核心測試工具與技術要求：

• 儀器類型： 具備快速頻譜分析 (FFT) 功能的示波器、近場探棒 (Near-Field Probes)。

• 關鍵規格： 儀器的「頻譜分析」功能必須是獨立且快速的，不能是傳統緩慢的 FFT 運算，儀器需要具備「時頻同顯」能力，讓工程師能即時看到時域波形與頻域雜訊的關聯性，快速鎖定問題根源。

挑戰三：量產階段的效率與成本

挑戰描述： 在產線上，每片電路板的測試時間都以「秒」計算。不可能重複研發階段的複雜除錯。產線需要的是快速、明確的「通過 (Pass) / 失敗 (Fail)」判斷。

核心測試工具與技術要求：

• 儀器類型： 具備自動化測試軟體、快速開機與連線能力的示波器。

• 關鍵規格： 儀器必須支援「遮罩測試」(Mask Testing)，產線人員只需載入一個標準「SOP」，儀器就能自動判斷波形是否觸碰到預設的「禁止區域」，並立即給出 Pass/Fail 結果。

應用為王：哪些產業的命脈掌握在它手中？

1. 電動車 (EV) 與儲能： 這是 GaN/SiC 功率半導體的主戰場。從車載充電器 (OBC)、逆變器 (Inverter) 到電池管理系統 (BMS)，都需要高解析度示波器來分析高壓、高速開關下的 PI 與 EMI 問題。
   

2. 資料中心與 AI 伺服器： 驅動 AI GPU 需要極低電壓（如 0.8V）與極高電流（數百安培）的電源。微小的電壓波動都可能導致 AI 運算錯誤。台灣的伺服器代工大廠（如廣達、緯穎）在設計新一代主機板時，PI 驗證是研發的首要關卡。
   

3. IoT 與穿戴裝置： 這類裝置由電池供電，對功耗極度敏感，PI 測試不僅是為了穩定，更是為了「省電」，工程師需使用高解析度示波器，去量測晶片在「睡眠模式」下微安培 (µA) 等級的微小電流與功耗。
   

4. 車用乙太網路 (Automotive Ethernet)： 這是 ADAS 與自動駕駛的關鍵。高速的乙太網訊號在車內複雜的電磁環境中，極易受到干擾。利用整合的時頻分析，才能確保通訊的絕對可靠。

產品介紹：R&S MXO 3 系列示波器

R&S MXO 3 系列示波器是 Rohde & Schwarz 推出的一款中階儀器，為研發實驗室、品保單位與產線的工程師提供卓越的量測效能，它結合了高解析度、超高速的訊號擷取能力與直覺易用的操作介面，解決了當今複雜嵌入式系統與電源設計中的關鍵測試挑戰。

其核心設計理念是將多種儀器的功能（示波器、邏輯分析儀、頻譜分析儀、協議分析儀）整合於一體，同時在關鍵規格上實現了技術突破。

了解更多 R&S®MXO 3 系列示波器

核心技術亮點

• 12-bit ADC 類比數位轉換器 R&S MXO 3 系列的關鍵特徵是其 12-bit 垂直解析度，相較於傳統 8-bit 示波器（256 階）所提供的解析度，12-bit 提供了 4096 個垂直量化階層，解析度提升了 16 倍，這使得工程師能在觀測大範圍電壓訊號的同時，清晰地解析出隱藏在其中的微小訊號細節，例如電源軌上的微伏特 (µV) 等級漣波或雜訊，這對於電源完整性 (PI) 分析至關重要。
  

• 全球最快的波形更新率 此系列示波器擁有 450 萬次波形/秒 的超高速更新率，這種速度使其能以極高的機率捕捉到偶發、間歇性的異常訊號（Glitches 或 Runt pulses），而這些訊號往往是導致系統當機或數據錯誤的主因。
  

• 標配 500 Mpts 深度記憶體 全系列標準配備每通道 500 Mpts 的超深擷取記憶體，這表示儀器可以在不降低取樣率的情況下，擷取時間更長的訊號波形，對於分析開機時序、複雜的串列匯流排封包或低頻干擾事件非常有幫助。
  

• 即時頻譜分析能力 R&S MXO 3 具備快速的頻譜分析能力，可實現高達 45,000 次 FFTs/秒 的頻譜更新。這使其在同級產品中具有領先的 EMI 除錯效能，工程師可以快速在時域與頻域之間切換，迅速定位電路板上的雜訊干擾源。

其他主要規格與功能

• 頻寬範圍： 提供 100 MHz 至 1.5 GHz 的多種頻寬型號。

• 通道數： 提供 2 通道或 4 通道機型。

• 顯示器： 配備 13.3 吋 Full HD (1920x1080) 電容式觸控螢幕，提供直覺的操作體驗。

• MSO 混合訊號： 可選配 16 個數位邏輯通道，用於混合訊號的分析。

• 協定解碼： 支援 I2C, SPI, UART, CAN, LIN, 車用乙太網等 多種串列匯流排的觸發與解碼。

總結而言，R&S MXO 3 系列示波器憑藉其 12-bit 高解析度與 4.5M wfms/s 的高速更新率，專注於解決當今工程師「看清」與「抓到」微小且罕見訊號的痛點，特別適用於嵌入式系統除錯、電源完整性量測、EMI 雜訊分析以及車用電子等應用領域。

前瞻未來：技術普及的挑戰與下一波趨勢

隨著 12-bit 高解析度示波器逐漸成為主流，T&M 廠商的下一個戰場將是「智能化」，未來的儀器將不僅是「看見」雜訊，更是要能「理解」雜訊。

預期將有更多 AI 演算法被導入示波器，自動辨識雜訊的類型（例如：這是來自電源的雜訊，還是來自時脈的串擾？），並主動向工程師推薦可能的解決方案，這將大幅縮短除錯時間，讓 PI 與 EMI 測試從一門「黑科技」，變成人人都能上手的標準流程。