罗德与施瓦茨分析高速 SoC 的电源设计
随着功能变多、处理能力增强、数据速率不断提高，高速片上系统 (SoC) 的电源设计充满了挑战。为现代 CPU、GPU、FPGA、ASIC 等各种功能块供电的电源轨数量不断增加，需要在通电和断电期间准确控制电源时序。电源电压也有所降低，以减少 SoC 的内部功耗。电源完整性要求变得更加严格，需要为电源轨提供更大的电源电流。多相降压转换器在大电流电源轨中的应用越来越常见。这种转换器具有诸多优势，但在电源设计和验证测试方面也给设计人员带来了挑战。
使用 MXO 58 八通道示波器分析多相降压转换器设计的电源完整性（由德州仪器提供）
您的任务
多相降压转换器（交错式转换器）的每个相都至少有一组开关晶体管和一个电感器。为了利用多相特性，各相的导通时间会相互偏移。在高负载稳态操作中，所有级都应处于活动状态，并且相互之间同等偏移，各级之间的电源电流保持平衡。因此，电感器电流也会发生相移，以最大限度地减少电源电流和电源电压中的纹波。大电流操作中的损耗主要是传导损耗。因此，多相降压转换器比单个转换器的效率更高、散热更少，因为总电流分布在多个级上，而不是像单个转换器一样分布在单个级上。
基于控制器的多相降压转换器可以在高负载期间动态激活各级、在低负载期间移除各级，因此效率更高。
多相降压转换器还具有出色的负载阶跃响应能力。由于各相的导通时间相互偏移，多相降压转换器可以为紧随负载阶跃之后的相位调整脉冲宽度调制 (PWM) 信号，从而快速响应负载阶跃。在堆叠设计中，主控制器为所有相位提供 PWM 信号。这种设计可以在各级之间保持预定义的相移。基于控制器的多相设计可以为各级动态对齐相位或激活/停用 PWM 信号，以进一步最大限度地减少这些负载瞬变引起的下冲和过冲。
尽管多相降压转换器是用来改进高速 SoC 电源设计的性能和效率的强大工具，但在分析各种静态负载条件或动态负载阶跃场景下的相位管理时，多相降压转换器会增加验证和调试测试的难度。
多相降压转换器示意图以及激活两个相位时稳态运行下的相应电压和电流
多相降压转换器示意图，带专用的多相控制器以实现最大的灵活性（左）以及具有主转换器和次转换器的堆叠拓扑结构（右）。
应用
采用多相降压转换器的典型电源设计测量包括：
效率测量
系统在不同的负载条件下和典型的动态负载场景下测量多相降压转换器的效率。
高速 SoC 电源电压的电源完整性分析
在各种静态负载条件下和动态负载阶跃场景下进行测量，可以确保电源轨电压符合噪声、纹波、下冲和过冲容差要求。测量通常在时域和频域中进行。
时域和频域中的电源完整性分析，显示 2.24 MHz 开关频率及其谐波
多相降压转换器内部各级的相位分析
在静态负载条件下和定义的负载阶跃场景下进行测量，以验证多相降压转换器各级是否以低延迟响应负载阶跃，并验证各级的整体相位管理。
动态负载阶跃场景中的相位对齐和 PWM 轨迹，连续打开/关闭 160 A 负载。波形和 PWM 轨迹显示相位立即响应了负载阶跃。
使用 MXO 58 的 A/B/R 序列触发测量 160 A 负载阶跃上的电压过冲。过冲会有所不同，具体取决于多相降压转换器开关周期内负载瞬变的位置（由 Signal Edge Solutions 提供）
罗德与施瓦茨解决方案
MXO 58 系列示波器一共提供 8 个模拟通道，带宽高达 2 GHz（交织模式）。R&S?MXO5-B1 选件可以增加 16 个数字通道，不必停用任何模拟通道。得益于内置的硬件加速功能，MXO 58 提供优异的操作速度，波形捕获率高达 450 万波形/秒，FFT 速率达到了 45,000 FFT/s。
即使设置成最高灵敏度 0.5 mV/div，示波器的可调偏置也高达 2 V（50 Ω 时）或 5 V（1 MΩ 时）。再加上 12 位分辨率（HD 模式下高达 18 位），最大程度地保证准确测量直流电源轨上的微小干扰。
MXO 5 标配强大的多功能数字触发系统，支持基于 A/B/R 序列触发的基础边沿触发和强大的区域触发等各种触发类型。区域触发功能可以触发由不同信号源（采集的波形、数学波形或频谱视图）组成的用户自定义区域组合，从而捕获特定事件。
这款示波器和 MXO 5C 一样采用紧凑的 2 HU 外形，没有显示屏，可以在自动化测试应用中远程控制设备。
R&S?RT-ZPR20 电源轨探头和 Picotest J2115A 同轴隔离器（由 Signal Edge Solutions 提供）
测量电源轨上的扰动时，最好使用专用的电源轨探头，例如 R&S?RT-ZPR。R&S?RT-ZPR 是 1:1 探头，满足此类测量的灵敏度要求。探头内置直流表，可以轻松测量电源轨直流电压，并在偏移电路中自动减去测量值。这样一来，MXO 5 可以使用最佳灵敏度来准确测量电源轨上的扰动，同时显示电源轨电压的实际直流值。对于具有大电源电流的电源设计，测试装置中的接地环路可能会导致测量误差。结合使用 R&S?RT-ZPR 与 Picotest J2115A 同轴隔离器，可以显著减小这种接地环路误差。
测量开关节点电压时，还需要考虑多相降压转换器中各级的大电流的接地环路影响。R&S?RT-ZD 等差分探头可以消除这些影响，是此类测量的理想之选。
测量电源效率时，可以使用 R&S?RT-ZCxx 电流探头和罗氏线圈测量电流并计算瞬时功率。
总结
MXO 5 和 MXO 5C 系列示波器非常适合分析高速 SoC 电源设计的电源完整性。示波器提供多达 8 个模拟通道、16 个数字通道和各种探头，能够以出色的灵敏度准确测量噪声、纹波、下冲和过冲。凭借优异的测量速度和强大的触发系统，示波器可以有效检测时域和频域中的电源轨干扰，从而分析多相降压转换器中各级的 PWM 信号。
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