0 引言

    在高速超大規(guī)模集成電路中，負(fù)載具有工作電壓較低、電流較大、各種工作狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的電流變化率較高等特點^[1]。

    在實際電源中，常應(yīng)用的降壓型（Buck型）電壓變換器，具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。當(dāng)出現(xiàn)輸入電壓變化、負(fù)載擾動等情況時，會引起負(fù)載端的電壓波動，嚴(yán)重的結(jié)果是電路功能異常。為了維持負(fù)載兩端電壓的穩(wěn)定，在供電模塊中引入電壓負(fù)反饋，通過反饋閉環(huán)控制占空比，實時調(diào)節(jié)電壓變換器的輸出電壓^[2]。

    電壓偵測的反饋位置靠近變換器輸出端或負(fù)載端，對應(yīng)近端和遠(yuǎn)端反饋兩種模式。由于存在傳輸路徑阻抗，不同反饋模式負(fù)載端的實際電壓和動態(tài)響應(yīng)也會不同。

    對于反饋模式的選擇，此前采用經(jīng)驗的方法，依據(jù)電源轉(zhuǎn)換方案和參數(shù)預(yù)估，選擇Buck型變換器的反饋模式，這種方法沒有綜合考慮傳輸路徑阻抗、芯片對供電電壓容忍度等因素。

    本文通過對傳輸路徑阻抗和芯片電壓容忍度等因素進(jìn)行分析，結(jié)合不同反饋模式下系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)的仿真結(jié)果，評價近端和遠(yuǎn)端反饋的效果，作為指導(dǎo)電路反饋模式選擇的方法。

1 Buck型變換器的近遠(yuǎn)端反饋設(shè)計

1.1 Buck型變換器的原理

    Buck型變換器的基本原理如圖1所示。PWM信號分別控制兩個MOS管的開關(guān)，當(dāng)MOS開關(guān)管VT₁導(dǎo)通、VT₂關(guān)斷時，輸入電壓U_I經(jīng)過電感L，向電容C充電，同時也給負(fù)載R_L供電；當(dāng)MOS開關(guān)管VT₁關(guān)斷、VT₂導(dǎo)通時，輸入電壓U_I和輸出電路斷開，VT₂導(dǎo)通續(xù)流，電路依靠存儲在電感L和電容C中的能量向負(fù)載R_L供電^[3]。

    圖1的電源監(jiān)測采用電壓負(fù)反饋模式，以達(dá)到穩(wěn)定反饋位置電壓的目的。反饋點電壓U_O經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)R₁、R₂分壓，反饋到控制器IC的F_B端。在控制器(IC)內(nèi)部，誤差放大器(EA)比較反饋電壓和基準(zhǔn)電壓U_REF，輸出作用到PWM控制信號，調(diào)節(jié)VT₁、VT₂的導(dǎo)通時間，改變輸出端電壓，以補(bǔ)償電壓的波動，保證實際供電電壓正常。在低電壓、大電流的情況下，這種措施的效果更加顯著^[4]。

1.2 近遠(yuǎn)端反饋方案設(shè)計

    采用Buck型變換器為負(fù)載供電，電壓負(fù)反饋的反饋點不同，傳輸路徑的阻抗R_PCB會隨路徑長度變化，造成負(fù)載實際電壓的差異。當(dāng)反饋點選擇在變換器輸出端時，將反饋模式稱為近端反饋，如圖2所示；當(dāng)反饋點選擇在負(fù)載端時，將反饋模式稱為遠(yuǎn)端反饋，如圖3所示。下文對不同反饋方案的實際補(bǔ)償效果進(jìn)行分析。

    在圖2、圖3中，為了簡化負(fù)載電壓的求解，采用集中參數(shù)電路模型代替分布參數(shù)模型^[5]，假設(shè)等效的串接阻抗R_PCB=25 mΩ。而R₁、R₂的取值比較大(kΩ)，造成反饋引線幾乎沒有電流流過^[6]。

    由誤差放大器(EA)的“虛短”可知，B點的電壓即為基準(zhǔn)電壓U_REF=0.5 V。為保證負(fù)載R_L兩端電壓為額定值，取R₁，R₂為1.5 kΩ和7.5 kΩ，則輸出電壓為：

    由式(1)可知，U_O的值為0.6 V，即輸出點A對地的電壓為0.6 V。

    為了衡量Buck變換器在負(fù)載變化時的性能，分析近遠(yuǎn)端反饋模式的靜態(tài)響應(yīng)和動態(tài)響應(yīng)。

1.2.1 靜態(tài)響應(yīng)分析

    對于不同的靜態(tài)負(fù)載電流I_O，在圖2中，R_L兩端的近端反饋電壓U_ON為： 

    在式(2)中，當(dāng)輸出電流I_O從0 A增加到4 A時，U_ON由0.6 V減小到0.5 V。

    在圖3中，R_L兩端的遠(yuǎn)端反饋電壓U_OF為：

    在式(3)中，當(dāng)I_O從0 A增加到4 A時，U_OF保持0.6 V不變。

    由式(2)、式(3)可知，由于R_PCB的影響，近端反饋的負(fù)載電壓會低于額定值；而遠(yuǎn)端反饋的負(fù)載電壓則不受R_PCB的影響，能夠保持為額定電壓。

1.2.2 動態(tài)響應(yīng)分析

    動態(tài)響應(yīng)輸出電壓的變化量ΔU用于評價Buck變換器的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)特性。動態(tài)響應(yīng)和輸出濾波電容的容量及等效串聯(lián)電阻(ESR)、旁路電容、最大允許負(fù)載電流等有關(guān)^[7]。此外，動態(tài)響應(yīng)的ΔU還和電路中的反饋模式有關(guān)，在不同模式下，傳輸路徑的阻抗對ΔU的影響需要考慮。

    在動態(tài)響應(yīng)過程中，負(fù)載電流從I_o階躍到(I_o+ΔI)，維持時間為Δt，階躍回到I_o，則動態(tài)響應(yīng)電壓上沖(或下沖)的最大值ΔU_o，根據(jù)下式^[8]求得：

    在式(4)中，R_E為輸出電容C的ESR值，U_I為輸入電壓，U_O為輸出電壓，L為輸出電感，T是開關(guān)周期。

    對于近端反饋模式，動態(tài)響應(yīng)電壓波動的峰峰值ΔU_N-P為：

    在式(5)中，控制R_PCB在一定范圍內(nèi)，以保證ΔIR_PCB<2ΔU_O，實際線路一般滿足這個要求。

    對于遠(yuǎn)端反饋模式，動態(tài)響應(yīng)電壓波動的峰峰值ΔU_F-P為：

    由式(4)～式(6)可知，對于同一線路的不同反饋模式，由于傳輸路徑阻抗_RPCB的影響，近端反饋的ΔU_N-P會比遠(yuǎn)端反饋的?駐UF-P小。

2 Buck型變換器近遠(yuǎn)端反饋的仿真

    以DDR4 DIMM供電為例，Buck變換器由控制器IR3897和外圍元件組成，輸入電壓U_I為12 V，輸出電壓U_O為0.6 V，負(fù)載電流I_O最大為4 A。電路原理圖如圖4所示，其中傳輸路徑阻抗為R_PCB。

    電路原理圖對應(yīng)的PCB圖如圖5所示，遠(yuǎn)端反饋的信號線連接到負(fù)載DDR4 DIMM socket的用電端，近端反饋的信號線連接到IR3897的輸出端。

    將電路的PCB文件導(dǎo)入仿真軟件，設(shè)置限定條件和參數(shù)，仿真得到傳輸路徑的阻抗R_PCB為25 mΩ。

    針對電路的近端和遠(yuǎn)端反饋兩種工作模式，使用工具軟件仿真Buck變換器的靜態(tài)響應(yīng)和動態(tài)響應(yīng)，依據(jù)仿真結(jié)果來評價近遠(yuǎn)端反饋的效果。

2.1 靜態(tài)響應(yīng)仿真

    對DDR4 DIMM線路進(jìn)行靜態(tài)響應(yīng)仿真，將負(fù)載電流設(shè)置為三組不同的值，分別為最大負(fù)載電流的20%、50%和80%，靜態(tài)響應(yīng)結(jié)果如表1所示。

    在表1中，當(dāng)負(fù)載電流I_O為0.8 A、2 A、4 A時，遠(yuǎn)端反饋的負(fù)載電壓穩(wěn)定在0.6 V，而近端反饋的負(fù)載電壓則逐漸偏離額定電壓，I_O為4 A時，最大偏差量為86 mV，對應(yīng)的負(fù)載電壓調(diào)整率為14.3 %。

2.2 動態(tài)響應(yīng)仿真

    對DDR4 DIMM線路進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)仿真，在輸出為階躍電流時，電流變化范圍為+1.06 A~+2.92 A，上升速率為4.3 A/μs，仿真的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖6所示。

    圖6中，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生階躍變化，對照近遠(yuǎn)端反饋負(fù)載電壓的動態(tài)響應(yīng)，近端反饋動態(tài)響應(yīng)的峰峰值為102 mV，遠(yuǎn)端反饋動態(tài)響應(yīng)的峰峰值為120 mV。

3 Buck型變換器近遠(yuǎn)端反饋的實驗

    為了評價Buck變換器的近遠(yuǎn)端反饋的效果，選取服務(wù)器主板上為DDR4 DIMM供電的Buck方案，具體的電路原理圖如圖4所示，測試其在近遠(yuǎn)端反饋下的電壓性能。測試實驗中采用DDR4 VRTT Kit工具，其包含4塊負(fù)載板，并聯(lián)使用，模擬DDR4 DIMM實際的工作狀況。通過負(fù)載儀對負(fù)載板進(jìn)行拉載，以示波器監(jiān)測在近遠(yuǎn)端反饋的條件下，Buck變換器輸出電壓的實時響應(yīng)波形。

3.1 靜態(tài)響應(yīng)仿真

    對Buck變換器進(jìn)行靜態(tài)響應(yīng)測試，負(fù)載儀拉動靜態(tài)負(fù)載的變化范圍為0 A～4 A，每個測試點對應(yīng)的負(fù)載變化量為10%，負(fù)載電壓隨著負(fù)載電流的變化趨勢如圖7所示，其中實線代表近端反饋的負(fù)載電壓變化曲線，虛線代表遠(yuǎn)端反饋的負(fù)載電壓變化曲線。

    由圖7的實驗結(jié)果可知，在負(fù)載電流變化的整個區(qū)間上，遠(yuǎn)端反饋的負(fù)載電壓調(diào)整率小于0.1%；而近端反饋的負(fù)載電壓調(diào)整率最大為18%。在測量靜態(tài)響應(yīng)時，傳輸路徑的阻抗R_PCB會造成電壓降，而由于反饋位置不同，近端反饋的負(fù)載電壓存在較大程度地偏離，遠(yuǎn)端反饋的負(fù)載電壓則比較穩(wěn)定。

3.2 動態(tài)拉載實驗

    對Buck變換器進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)測試，負(fù)載儀拉動動態(tài)負(fù)載的范圍為-0.94 A~+0.92 A，上升速率為4.3 A/μs，負(fù)載電壓的動態(tài)響應(yīng)結(jié)果如圖8所示。

    在圖8中，(a)、(b)分別為近端和遠(yuǎn)端反饋的動態(tài)響應(yīng)，近端反饋動態(tài)響應(yīng)的峰峰值為88.8 mV，遠(yuǎn)端反饋動態(tài)響應(yīng)的峰峰值為104.8 mV。在測量動態(tài)響應(yīng)時，由于存在傳輸路徑阻抗，近端反饋電壓波動的峰峰值會比遠(yuǎn)端反饋的小。

    對于Buck變換器近遠(yuǎn)端反饋的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)，實驗與仿真結(jié)果保有一致的變化趨勢，驗證了仿真分析的可行性。實驗與仿真結(jié)果的偏差，主要來自于仿真的模型近似、實際傳輸路徑阻抗的偏差、測試過程中引入的測試誤差等因素。

4 結(jié)論

    本文在理論上推導(dǎo)出負(fù)載點靜態(tài)電壓、動態(tài)響應(yīng)和傳輸路徑阻抗的關(guān)系，提出仿真分析應(yīng)用于Buck變換器反饋模式選擇的思想。實際應(yīng)將路徑阻抗等因素納入仿真模型，通過仿真得到靜態(tài)響應(yīng)和動態(tài)響應(yīng)的分析結(jié)果，評價不同反饋模式的效果。最后通過實驗驗證仿真分析的可行性，為近遠(yuǎn)端反饋的選擇提供了量化的仿真分析方法。

    運用此仿真分析方法，以仿真數(shù)據(jù)比對芯片的實際電壓需求，在實際設(shè)計中指導(dǎo)近端反饋或遠(yuǎn)端反饋的方案選取。

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作者信息

王武軍，路  廣，李鵬翀，貢  維，康  磊

（浪潮（北京）電子信息產(chǎn)業(yè)有限公司 浪潮高效能服務(wù)器和存儲技術(shù)國家重點實驗室，北京100086）