駕馭高速 SoC 的供電挑戰：多相降壓轉換器的深入分析

更多的功能、更強的處理能力以及不斷增長的資料速率，使得高速系統單晶片（SoC（System-on-Chips））的電源設計充滿挑戰，現代 CPU、GPU、FPGA、ASIC 等晶片中，為各種功能區塊供電的電源軌數量日益增加，需要在開機與關機期間進行精準的時序控制，供應電壓準位也隨之降低，以減少 SoC 內部的功耗，電源完整性的要求變得更加嚴格，且電源軌上需要供應更大的電流，多相降壓轉換器在高電流電源軌的應用中持續普及，這種轉換器具備許多優勢，但設計師在電源設計與驗證測試方面也面臨著挑戰。

多相降壓轉換器的任務

多相降壓轉換器（亦稱為交錯式轉換器（Interleaved Converter））的每一個相位，都至少包含一組交換電晶體與一個電感，為了從多相特性中獲益，各相位的導通時間會相互錯開，在高負載的穩態操作下，所有級聯都應處於活動狀態，並相互均等地錯開相位，同時供應電流在各級之間達成平衡，結果是，電感電流也因相位錯開而最小化了供應電流與供應電壓的漣波。

圖說：多相降壓轉換器的示意圖，及其在兩相活動的穩態操作下對應的電壓與電流

在高電流準位下，傳導損耗佔據主導地位，因此，多相降壓轉換器的效率優於單相轉換器，且散熱較低，因為總電流被分配到多個級聯，而非單一級聯。

採用控制器的多相降壓轉換器效率更高，因為它們能夠在高負載期間動態啟動級聯，並在低負載期間移除級聯。

多相降壓轉換器對負載步階（Load Steps）也具備卓越的響應能力，由於各相位的導通時間相互錯開，多相降壓轉換器可以透過調整緊接在負載步階之後相位的脈衝寬度調變（PWM（Pulse Width Modulation））訊號，來快速回應負載步階，在堆疊式設計中，主控制器為所有相位提供 PWM 訊號，此設計在各級之間保持預定的相位差，採用控制器的多相設計，可以動態地對齊相位或啟動/關閉相應級聯的 PWM 訊號，以進一步最小化這些負載暫態所引起的下衝（Undershoots）與過衝（Overshoots）。

圖說：具備專用多相控制器以實現最大靈活性的多相降壓轉換器示意圖（左），以及採用主、次轉換器的堆疊式拓撲（右）

儘管多相降壓轉換器是提升高速 SoC 電源設計效能與效率的強大工具，但在分析各種靜態負載條件或動態負載步階情境下的相位管理時，它們也可能讓驗證與除錯測試變得更具挑戰性。

測試應用

採用多相降壓轉換器的典型電源設計量測包括：

• 效率量測 系統會在不同負載與典型的動態負載情境下，對多相降壓轉換器執行效率量測。

• 高速 SoC 供應電壓的電源完整性分析 在各種靜態負載條件以及動態負載步階情境下的量測，可確保電源軌電壓符合所需的雜訊、漣波、下衝與過衝容差，量測通常在時域與頻域中進行。

圖說：在時域與頻域中進行電源完整性分析，顯示出 2.24 MHz 的交換頻率及其諧波

圖說：使用 MXO 58 的 A/B/R 序列觸發，量測一個 160 A 負載步階上的電壓過衝，過衝的大小會因負載暫態在多相降壓轉換器交換週期內的位置而異（由 Signal Edge Solutions 提供）

• 多相降壓轉換器內部各級的相位分析 量測在靜態負載條件與定義的負載步階情境下進行，以驗證多相降壓轉換器的各級能以低延遲回應負載步階，並驗證所有級聯的整體相位管理。

圖說：在一個持續開啟/關閉 160 A 負載的動態負載步階情境中，進行相位對齊與 PWM 趨勢圖分析。波形與 PWM 趨勢圖顯示各相位對負載步階的即時反應。

Rohde & Schwarz 解決方案

MXO 58 系列示波器提供總共 8 個類比通道與高達 2 GHz 的頻寬（在交錯模式下），R&S®MXO5-B1 選項可增加 16 個數位通道，且無需犧牲任何類比通道，得益於內建的硬體加速，MXO 58 擁有無可比擬的速度與高達每秒 450 萬次波形的擷取率，以及高達每秒 45,000 次的 FFT 速率。

圖說：使用 MXO 58 八通道示波器對多相降壓轉換器設計進行電源完整性分析（由德州儀器提供）

該儀器具備可調式偏壓，即使在 0.5 mV/div 的最高靈敏度設定下，仍可提供高達 2 V（在 50 Ω 時）或 5 V（在 1 MΩ 時）的偏壓範圍，結合 12 bit 解析度（在 HD 模式下可達 18 bit），這為量測直流電源軌上的微小擾動提供了最高的準確度。

MXO 5 標配強大且多功能的數位觸發系統，從基本的邊緣觸發，到 A/B/R 序列觸發，再到強大的區域觸發，一應俱全，透過區域觸發，可以對來自不同訊號來源（擷取的波形、數學運算波形或頻譜視圖）的使用者自訂區域組合進行觸發，以擷取特定事件。

與 MXO 5C 一樣，該儀器也提供無顯示器的小型化 2 HU 機架形式，可用於自動化測試應用中的遠端控制。

電源軌上的擾動，最好使用專用的電源軌探棒（如 R&S®RT-ZPR）進行量測，由於它是 1:1 的探棒，具備此量測所需的靈敏度，該探棒內建一個直流電錶，可輕鬆量測電源軌的直流電壓，並在偏壓電路中自動減去該電壓，如此一來，便可在 MXO 5 中使用最佳的靈敏度來準確量測電源軌上的擾動，同時仍能顯示電源軌電壓的實際直流值，在高供應電流的電源設計測試設定中，可能會因接地迴路（Ground Loops）而產生量測誤差，將 R&S®RT-ZPR 與 Picotest J2115A 同軸隔離器結合使用，可顯著減少這些接地迴路誤差。

圖說：R&S®RT-ZPR20 電源軌探棒搭配 Picotest J2115A 同軸隔離器（由 Signal Edge Solutions 提供）

在量測交換節點電壓時，也需要考慮由多相降壓轉換器各級中的高電流量所引起的接地迴路效應，差動探棒（如 R&S®RT-ZD）可消除這些效應，是此類量測的理想選擇。

R&S®RT-ZCxx 電流探棒與羅氏線圈可用於量測電流，並在功率效率量測中計算瞬時功率。

總結

MXO 5 與 MXO 5C 系列示波器是分析高速 SoC 電源設計中電源完整性的理想選擇，多達 8 個類比與 16 個數位通道，以及多樣化的探棒，有助於儀器以卓越的靈敏度準確量測雜訊、漣波、下衝與過衝，無可比擬的量測速度與強大的觸發系統，能有效地在時域與頻域中偵測電源軌擾動，以協助分析多相降壓轉換器所有級聯的 PWM 訊號。