分析多相式降壓轉換器：高速 SoC 電源完整性量測
- Sonya Chan
- 9月7日
- 讀畢需時 6 分鐘
應對現代 CPU、GPU 與 FPGA 日益嚴苛的電源完整性與動態負載挑戰
隨著功能持續增加、處理能力不斷提升以及資料傳輸速率的成長，高速系統單晶片 (SoCs) 的電源設計變得日益複雜，在現代的 CPU、GPU、FPGA、ASIC 等晶片中，為不同功能區塊供電的電源軌數量持續增長，這不僅要求在開機與關機程序中進行精確的時序控制；同時，為了有效降低 SoC 內部的功率消耗，供電電壓準位也顯著降低，電壓降低而電流需求增加的趨勢，使得電源完整性的要求變得空前嚴格；為滿足高電流電源軌的需求，多相式降壓轉換器的應用日益普及，儘管這種架構具備多項優點，但也讓設計者在電源設計與驗證測試上面臨著新的課題。
技術挑戰與設計優勢
多相式降壓轉換器（或稱交錯式轉換器）的每一相至少包含一組開關電晶體與一個電感，為了發揮多相架構的優勢，各相的導通時間會經過精密計算，使其彼此錯開，在高負載的穩態運作下，所有相位均處於啟動狀態，並以均等的相位差交錯運行，同時供電電流會在各相位間平衡分配；這個設計的直接效益是，各電感的電流因相位移而在輸出端產生漣波消除效應，從而顯著最小化供電電流與供電電壓的漣波；在高電流應用中，傳導損耗是影響效率的主要因素，多相式降壓轉換器將總電流分散到多個相位，減輕了單一元件的電流壓力與熱應力，因此相較於單相轉換器，它擁有更優異的效率與更低的散熱。
採用智慧控制器的多相式降壓轉換器更能發揮效率優勢，因為控制器能夠在高負載期間動態啟用所有相位以滿足電流需求，並在低負載期間關閉閒置的相位，藉此降低待機時的功率損耗。
多相式降壓轉換器對於負載步階也具備卓越的響應能力，由於各相的導通時間相互錯開，當負載步階發生時，轉換器幾乎能立即調整緊隨其後的相位的脈衝寬度調變 (PWM, Pulse Width Modulation) 訊號，實現近乎即時的反應；在堆疊式設計中，主控制器會為所有相位提供 PWM 訊號，並維持各相位間預設的相位差；而更先進的控制器設計則能進一步實現動態相位對齊，或即時啟動／關閉對應相位的 PWM 訊號，將負載暫態所引發的下衝 (undershoots) 與過衝 (overshoots) 影響降至最低。
儘管多相式降壓轉換器是提升高速 SoC 電源效能與效率的強大工具，但在分析不同靜態負載條件或動態負載步階情境下的相位管理行為時，也無疑增加了驗證與除錯測試的複雜度。
關鍵應用與量測項目
針對多相式降壓轉換器的典型電源設計量測，主要包含以下幾個面向：
效率量測
此項量測著重於評估多相式降壓轉換器在不同負載條件，以及涵蓋輕載到滿載的動態負載情境下的整體功率轉換效率。
高速 SoC 供電電壓的電源完整性分析
目的在於驗證電源軌在各種靜態負載條件與動態負載步階衝擊下，其電壓的雜訊、漣波、下衝與過衝皆符合規格所要求的公差範圍。這類分析通常需要同時在時域與頻域中進行。
多相式降壓轉換器內部的相位分析
透過在靜態負載條件與特定的負載步階情境下進行量測，用以驗證多相式降壓轉換器的各相位能以極低的延遲回應負載步階，並檢視控制器對所有相位的整體相位管理機制是否如預期般運作。
Rohde & Schwarz 解決方案
R&S MXO 5 系列示波器是一款專為應對複雜量測挑戰而設計的儀器，提供 8 個類比通道，並具備從 100 MHz 到 2 GHz 的多種頻寬選擇；透過 R&S®MXO5-B1 選項，可在不犧牲任何類比通道的情況下，額外擴充 16 個數位通道；其內建的硬體加速技術，實現了高達 450 萬個波形/秒的擷取率以及 45,000 FFTs/s 的 FFT 更新率，能更快速地發現如突波或時序違規等偶發性異常訊號。
此外，MXO 5 全系列標配每通道 500 Mpts 的擷取記憶體，允許使用者在維持高取樣率的同時，捕捉更長時間的訊號變化，這對於分析完整的電源啟動序列或複雜的動態負載響應至關重要。
在訊號的垂直解析度方面，MXO 5 在所有取樣率下，皆採用了領先業界的 12 位元類比數位轉換器 (ADC)，其動態範圍是傳統 8 位元 ADC 的 16 倍，在 HD 模式下更可達 18 位元，能精準呈現最微小的訊號細節，這項高解析度能力，結合其在 0.5 mV/div 最高靈敏度設定下仍高達 5 V 的可調式偏移範圍，使其在量測直流電源軌上的微小擾動時，能提供無與倫比的準確度，所有量測結果都清晰地呈現在 15.6 吋 Full HD 電容式觸控螢幕上，提供流暢的操作體驗。
MXO 5 系列標準配備了低雜訊的數位觸發系統，從基本的邊緣觸發、A/B/R 序列觸發到功能強大的區域觸發皆完整提供，可穩定地隔離複雜的訊號行為，以進行深入分析。
與 R&S MXO 5C 一樣，該儀器也提供無顯示器的小型化 2 HU 機架規格，專為整合至空間有限的自動化測試系統或機櫃應用而設計，並可透過遠端進行控制。
量測電源軌上的微小擾動時，建議使用專用的電源軌探棒，例如 R&S®RT-ZPR 系列，作為一款 1:1 探棒，它具備此類量測所需的極高靈敏度，此探棒配備內建直流電錶，可即時量測電源軌的直流電壓，並在偏移電路中自動扣除，讓使用者能在 MXO 5 上充分利用垂直解析度，精準量測擾動訊號，同時仍能讀取實際的直流電壓值；在高電流的電源設計中，測試架構的接地迴路是常見的誤差來源，將 R&S®RT-ZPR 與 Picotest J2115A 同軸隔離器搭配使用，可顯著地抑制這些接地迴路誤差。
在量測交換節點電壓時，由多相式降壓轉換器各相位高電流所引起的接地迴路效應同樣不容忽視，差動探棒（如 R&S®RT-ZD 系列）能有效抑制由接地迴路引發的共模雜訊，確保量測的純淨度，是此類應用的理想選擇。
在進行功率效率量測時，可使用 R&S®RT-ZCxx 電流探棒與羅氏線圈來精準量測各相位的電流，並計算瞬時功率。
總結
面對高速 SoC 電源設計的嚴苛挑戰，R&S MXO 5 與 R&S MXO 5C 系列示波器是進行電源完整性分析的理想工具，其具備領先業界的 12 位元 ADC、高達 8 個類比與 16 個數位通道、深達 500 Mpts 的標配擷取記憶體，以及豐富的探棒生態系，能以卓越的靈敏度精準量測雜訊、漣波、下衝與過衝，無可比擬的量測速度與強大的觸發系統，則確保了儀器能在時域與頻域中高效地偵測電源軌上的任何擾動，並深入分析多相式降壓轉換器所有相位的 PWM 訊號，協助工程師克服複雜的設計驗證難題。
