Buck型變換器的近遠(yuǎn)端反饋設(shè)計(jì)

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(duì)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(jiǎn)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(guò)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(cè)的反饋位置靠近變換器輸出端或負(fù)載端，對(duì)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(duì)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(méi)有綜合考慮傳輸路徑阻抗、芯片對(duì)供電電壓容忍度等因素。

本文通過(guò)對(duì)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(píng)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(hào)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UI經(jīng)過(guò)電感L，向電容C充電，同時(shí)也給負(fù)載RL供電；當(dāng)MOS開關(guān)管VT1關(guān)斷、VT2導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓UI和輸出電路斷開，VT2導(dǎo)通續(xù)流，電路依靠存儲(chǔ)在電感L和電容C中的能量向負(fù)載RL供電[3]。

圖1的電源監(jiān)測(cè)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UO經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)R1、R2分壓，反饋到控制器IC的FB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UREF，輸出作用到PWM控制信號(hào)，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RPCB會(huì)隨路徑長(zhǎng)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(duì)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(jiǎn)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RPCB=25 mΩ。而R1、R2的取值比較大(kΩ)，造成反饋引線幾乎沒(méi)有電流流過(guò)[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UREF=0.5 V。為保證負(fù)載RL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，UO的值為0.6 V，即輸出點(diǎn)A對(duì)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(duì)于不同的靜態(tài)負(fù)載電流IO，在圖2中，RL兩端的近端反饋電壓UON為：

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

在圖3中，RL兩端的遠(yuǎn)端反饋電壓UOF為：

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

由式(2)、式(3)可知，由于RPCB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RPCB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(píng)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(duì)ΔU的影響需要考慮。

在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，負(fù)載電流從Io階躍到(Io+ΔI)，維持時(shí)間為Δt，階躍回到Io，則動(dòng)態(tài)響應(yīng)電壓上沖(或下沖)的最大值ΔUo，根據(jù)下式[8]求得：

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

對(duì)于近端反饋模式，動(dòng)態(tài)響應(yīng)電壓波動(dòng)的峰峰值ΔUN-P為：

在式(5)中，控制RPCB在一定范圍內(nèi)，以保證ΔIRPCB<2ΔUO，實(shí)際線路一般滿足這個(gè)要求。

對(duì)于遠(yuǎn)端反饋模式，動(dòng)態(tài)響應(yīng)電壓波動(dòng)的峰峰值ΔUF-P為：

由式(4)～式(6)可知，對(duì)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ΔUN-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UI為12 V，輸出電壓UO為0.6 V，負(fù)載電流IO最大為4 A。電路原理圖如圖4所示，其中傳輸路徑阻抗為RPCB。

電路原理圖對(duì)應(yīng)的PCB圖如圖5所示，遠(yuǎn)端反饋的信號(hào)線連接到負(fù)載DDR4 DIMM socket的用電端，近端反饋的信號(hào)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RPCB為25 mΩ。

針對(duì)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(lái)評(píng)價(jià)近遠(yuǎn)端反饋的效果。

2.1 靜態(tài)響應(yīng)仿真

對(duì)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IO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，IO為4 A時(shí)，最大偏差量為86 mV，對(duì)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(duì)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(duì)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(píng)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(cè)試其在近遠(yuǎn)端反饋下的電壓性能。測(cè)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(guò)負(fù)載儀對(duì)負(fù)載板進(jìn)行拉載，以示波器監(jiān)測(cè)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(duì)Buck變換器進(jìn)行靜態(tài)響應(yīng)測(cè)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(cè)試點(diǎn)對(duì)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(shì)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(cè)量靜態(tài)響應(yīng)時(shí)，傳輸路徑的阻抗RPCB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(duì)Buck變換器進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)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(cè)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(duì)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(shì)，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(lái)自于仿真的模型近似、實(shí)際傳輸路徑阻抗的偏差、測(cè)試過(guò)程中引入的測(cè)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(guò)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(píng)價(jià)不同反饋模式的效果。最后通過(guò)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(duì)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。