羅德與施瓦茨分析高速 SoC 的電源設(shè)計(jì)

隨著功能變多、處理能力增強(qiáng)、數(shù)據(jù)速率不斷提高，高速片上系統(tǒng) (SoC) 的電源設(shè)計(jì)充滿了挑戰(zhàn)。為現(xiàn)代 CPU、GPU、FPGA、ASIC 等各種功能塊供電的電源軌數(shù)量不斷增加，需要在通電和斷電期間準(zhǔn)確控制電源時(shí)序。電源電壓也有所降低，以減少 SoC 的內(nèi)部功耗。電源完整性要求變得更加嚴(yán)格，需要為電源軌提供更大的電源電流。多相降壓轉(zhuǎn)換器在大電流電源軌中的應(yīng)用越來(lái)越常見(jiàn)。這種轉(zhuǎn)換器具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在電源設(shè)計(jì)和驗(yàn)證測(cè)試方面也給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

使用 MXO 58 八通道示波器分析多相降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的電源完整性（由德州儀器提供）

您的任務(wù)

多相降壓轉(zhuǎn)換器（交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器）的每個(gè)相都至少有一組開(kāi)關(guān)晶體管和一個(gè)電感器。為了利用多相特性，各相的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)相互偏移。在高負(fù)載穩(wěn)態(tài)操作中，所有級(jí)都應(yīng)處于活動(dòng)狀態(tài)，并且相互之間同等偏移，各級(jí)之間的電源電流保持平衡。因此，電感器電流也會(huì)發(fā)生相移，以最大限度地減少電源電流和電源電壓中的紋波。大電流操作中的損耗主要是傳導(dǎo)損耗。因此，多相降壓轉(zhuǎn)換器比單個(gè)轉(zhuǎn)換器的效率更高、散熱更少，因?yàn)榭傠娏鞣植荚诙鄠€(gè)級(jí)上，而不是像單個(gè)轉(zhuǎn)換器一樣分布在單個(gè)級(jí)上。

基于控制器的多相降壓轉(zhuǎn)換器可以在高負(fù)載期間動(dòng)態(tài)激活各級(jí)、在低負(fù)載期間移除各級(jí)，因此效率更高。

多相降壓轉(zhuǎn)換器還具有出色的負(fù)載階躍響應(yīng)能力。由于各相的導(dǎo)通時(shí)間相互偏移，多相降壓轉(zhuǎn)換器可以為緊隨負(fù)載階躍之后的相位調(diào)整脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)，從而快速響應(yīng)負(fù)載階躍。在堆疊設(shè)計(jì)中，主控制器為所有相位提供 PWM 信號(hào)。這種設(shè)計(jì)可以在各級(jí)之間保持預(yù)定義的相移。基于控制器的多相設(shè)計(jì)可以為各級(jí)動(dòng)態(tài)對(duì)齊相位或激活/停用 PWM 信號(hào)，以進(jìn)一步最大限度地減少這些負(fù)載瞬變引起的下沖和過(guò)沖。

盡管多相降壓轉(zhuǎn)換器是用來(lái)改進(jìn)高速 SoC 電源設(shè)計(jì)的性能和效率的強(qiáng)大工具，但在分析各種靜態(tài)負(fù)載條件或動(dòng)態(tài)負(fù)載階躍場(chǎng)景下的相位管理時(shí)，多相降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)增加驗(yàn)證和調(diào)試測(cè)試的難度。

多相降壓轉(zhuǎn)換器示意圖以及激活兩個(gè)相位時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的相應(yīng)電壓和電流

多相降壓轉(zhuǎn)換器示意圖，帶專用的多相控制器以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性（左）以及具有主轉(zhuǎn)換器和次轉(zhuǎn)換器的堆疊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（右）。

應(yīng)用

采用多相降壓轉(zhuǎn)換器的典型電源設(shè)計(jì)測(cè)量包括：

效率測(cè)量
系統(tǒng)在不同的負(fù)載條件下和典型的動(dòng)態(tài)負(fù)載場(chǎng)景下測(cè)量多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率。

高速 SoC 電源電壓的電源完整性分析
在各種靜態(tài)負(fù)載條件下和動(dòng)態(tài)負(fù)載階躍場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)量，可以確保電源軌電壓符合噪聲、紋波、下沖和過(guò)沖容差要求。測(cè)量通常在時(shí)域和頻域中進(jìn)行。

時(shí)域和頻域中的電源完整性分析，顯示 2.24 MHz 開(kāi)關(guān)頻率及其諧波

多相降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部各級(jí)的相位分析
在靜態(tài)負(fù)載條件下和定義的負(fù)載階躍場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證多相降壓轉(zhuǎn)換器各級(jí)是否以低延遲響應(yīng)負(fù)載階躍，并驗(yàn)證各級(jí)的整體相位管理。

動(dòng)態(tài)負(fù)載階躍場(chǎng)景中的相位對(duì)齊和 PWM 軌跡，連續(xù)打開(kāi)/關(guān)閉 160 A 負(fù)載。波形和 PWM 軌跡顯示相位立即響應(yīng)了負(fù)載階躍。

使用 MXO 58 的 A/B/R 序列觸發(fā)測(cè)量 160 A 負(fù)載階躍上的電壓過(guò)沖。過(guò)沖會(huì)有所不同，具體取決于多相降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)周期內(nèi)負(fù)載瞬變的位置（由 Signal Edge Solutions 提供）

羅德與施瓦茨解決方案

MXO 58 系列示波器一共提供 8 個(gè)模擬通道，帶寬高達(dá) 2 GHz（交織模式）。R&S?MXO5-B1 選件可以增加 16 個(gè)數(shù)字通道，不必停用任何模擬通道。得益于內(nèi)置的硬件加速功能，MXO 58 提供優(yōu)異的操作速度，波形捕獲率高達(dá) 450 萬(wàn)波形/秒，F(xiàn)FT 速率達(dá)到了 45,000 FFT/s。

即使設(shè)置成最高靈敏度 0.5 mV/div，示波器的可調(diào)偏置也高達(dá) 2 V（50 Ω 時(shí)）或 5 V（1 MΩ 時(shí)）。再加上 12 位分辨率（HD 模式下高達(dá) 18 位），最大程度地保證準(zhǔn)確測(cè)量直流電源軌上的微小干擾。

MXO 5 標(biāo)配強(qiáng)大的多功能數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)，支持基于 A/B/R 序列觸發(fā)的基礎(chǔ)邊沿觸發(fā)和強(qiáng)大的區(qū)域觸發(fā)等各種觸發(fā)類型。區(qū)域觸發(fā)功能可以觸發(fā)由不同信號(hào)源（采集的波形、數(shù)學(xué)波形或頻譜視圖）組成的用戶自定義區(qū)域組合，從而捕獲特定事件。

這款示波器和 MXO 5C 一樣采用緊湊的 2 HU 外形，沒(méi)有顯示屏，可以在自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用中遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

R&S?RT-ZPR20 電源軌探頭和 Picotest J2115A 同軸隔離器（由 Signal Edge Solutions 提供）

測(cè)量電源軌上的擾動(dòng)時(shí)，最好使用專用的電源軌探頭，例如 R&S?RT-ZPR。R&S?RT-ZPR 是 1:1 探頭，滿足此類測(cè)量的靈敏度要求。探頭內(nèi)置直流表，可以輕松測(cè)量電源軌直流電壓，并在偏移電路中自動(dòng)減去測(cè)量值。這樣一來(lái)，MXO 5 可以使用最佳靈敏度來(lái)準(zhǔn)確測(cè)量電源軌上的擾動(dòng)，同時(shí)顯示電源軌電壓的實(shí)際直流值。對(duì)于具有大電源電流的電源設(shè)計(jì)，測(cè)試裝置中的接地環(huán)路可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。結(jié)合使用 R&S?RT-ZPR 與 Picotest J2115A 同軸隔離器，可以顯著減小這種接地環(huán)路誤差。

測(cè)量開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓時(shí)，還需要考慮多相降壓轉(zhuǎn)換器中各級(jí)的大電流的接地環(huán)路影響。R&S?RT-ZD 等差分探頭可以消除這些影響，是此類測(cè)量的理想之選。

測(cè)量電源效率時(shí)，可以使用 R&S?RT-ZCxx 電流探頭和羅氏線圈測(cè)量電流并計(jì)算瞬時(shí)功率。

總結(jié)

MXO 5 和 MXO 5C 系列示波器非常適合分析高速 SoC 電源設(shè)計(jì)的電源完整性。示波器提供多達(dá) 8 個(gè)模擬通道、16 個(gè)數(shù)字通道和各種探頭，能夠以出色的靈敏度準(zhǔn)確測(cè)量噪聲、紋波、下沖和過(guò)沖。憑借優(yōu)異的測(cè)量速度和強(qiáng)大的觸發(fā)系統(tǒng)，示波器可以有效檢測(cè)時(shí)域和頻域中的電源軌干擾，從而分析多相降壓轉(zhuǎn)換器中各級(jí)的 PWM 信號(hào)。