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(shí)對應(yīng)的電流變化率較高等特點(diǎn)^[1],。

    在實(shí)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(diǎn),。當(dāng)出現(xiàn)輸入電壓變化、負(fù)載擾動(dòng)等情況時(shí),，會(huì)引起負(fù)載端的電壓波動(dòng),，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(shí)時(shí)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(shí)際電壓和動(dòng)態(tài)響應(yīng)也會(huì)不同。

    對于反饋模式的選擇,，此前采用經(jīng)驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真結(jié)果,，評價(jià)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(jì)

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(gè)MOS管的開關(guān)，當(dāng)MOS開關(guān)管VT₁導(dǎo)通,、VT₂關(guān)斷時(shí),，輸入電壓U_I經(jīng)過電感L，向電容C充電,，同時(shí)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(shí),，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(diǎn)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(shí)間,，改變輸出端電壓,，以補(bǔ)償電壓的波動(dòng)，保證實(shí)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(jì)

    采用Buck型變換器為負(fù)載供電,，電壓負(fù)反饋的反饋點(diǎn)不同，傳輸路徑的阻抗R_PCB會(huì)隨路徑長度變化,，造成負(fù)載實(shí)際電壓的差異,。當(dāng)反饋點(diǎn)選擇在變換器輸出端時(shí)，將反饋模式稱為近端反饋,，如圖2所示,；當(dāng)反饋點(diǎn)選擇在負(fù)載端時(shí)，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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)的性能,，分析近遠(yuǎn)端反饋模式的靜態(tài)響應(yīng)和動(dòng)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(shí)，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(shí),，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(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

    動(dòng)態(tài)響應(yīng)輸出電壓的變化量ΔU用于評價(jià)Buck變換器的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,。動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)間為Δt,，階躍回到I_o，則動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)電壓波動(dòng)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(shí)際線路一般滿足這個(gè)要求,。

    對于遠(yuǎn)端反饋模式，動(dòng)態(tài)響應(yīng)電壓波動(dòng)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(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng),，依據(jù)仿真結(jié)果來評價(jià)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(shí),，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(shí),，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(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真

    對DDR4 DIMM線路進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真,，在輸出為階躍電流時(shí)，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(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng),，近端反饋動(dòng)態(tài)響應(yīng)的峰峰值為102 mV，遠(yuǎn)端反饋動(dòng)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(shí)驗(yàn)

    為了評價(jià)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)靜態(tài)負(fù)載的變化范圍為0 A～4 A，每個(gè)測試點(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,，在負(fù)載電流變化的整個(gè)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(shí)，傳輸路徑的阻抗R_PCB會(huì)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(dòng)態(tài)拉載實(shí)驗(yàn)

    對Buck變換器進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試,，負(fù)載儀拉動(dòng)動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng),，近端反饋動(dòng)態(tài)響應(yīng)的峰峰值為88.8 mV,，遠(yuǎn)端反饋動(dòng)態(tài)響應(yīng)的峰峰值為104.8 mV。在測量動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí),，由于存在傳輸路徑阻抗,，近端反饋電壓波動(dòng)的峰峰值會(huì)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(dòng)態(tài)響應(yīng),，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果保有一致的變化趨勢,，驗(yàn)證了仿真分析的可行性。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的偏差,，主要來自于仿真的模型近似,、實(shí)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(diǎn)靜態(tài)電壓,、動(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析結(jié)果，評價(jià)不同反饋模式的效果,。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yùn)用此仿真分析方法,，以仿真數(shù)據(jù)比對芯片的實(shí)際電壓需求,，在實(shí)際設(shè)計(jì)中指導(dǎo)近端反饋或遠(yuǎn)端反饋的方案選取。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈凱明.帶前饋電容的第三類補(bǔ)償反饋網(wǎng)絡(luò)在開關(guān)電源中的作用[D].上海：復(fù)旦大學(xué),，2011.

[2] 姜明權(quán).基于Buck變壓器變壓模式建模與仿真[D].大慶：東北石油大學(xué),，2015.

[3] 堵國樑，吳建輝,，樊兆雯,，等.模擬電子電路基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[4] Keith BILLINGS.開關(guān)電源手冊[M].北京：人民郵電出版社,，2006.

[5] 胡曉倩,，楊菁，張蓮.電阻分壓器的集中參數(shù)電路模型及分析[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),，2008(7)：96-98,，116.

[6] Maniktala SANJAYA.開關(guān)電源故障診斷與排除[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[7] 沙占友.開關(guān)電源設(shè)計(jì)入門與實(shí)例解析[M].北京：中國電力出版社,，2009.

[8] 王鳳巖.快速瞬態(tài)響應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器控制方法的研究[D].成都：西南交通大學(xué),，2005.

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100086）