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Buck變換器近遠端反饋的仿真分析與應用
2018年電子技術應用第2期
王武軍,路 廣,李鵬翀,貢 維,康 磊
浪潮(北京)電子信息產業(yè)有限公司 浪潮高效能服務器和存儲技術國家重點實驗室,北京100086
摘要: Buck型變換器中主要有近端和遠端反饋兩種偵測模式,隨著補償精度要求的提高,補償點位置的選取對負載芯片工作穩(wěn)定性的影響越來越大,依靠經驗來選擇補償方式已不能滿足設計要求。通過對實際路徑阻抗和芯片電壓容限等因素分析,針對Buck變換器的近端和遠端反饋進行仿真對比,以實測靜態(tài)和動態(tài)響應數據驗證仿真結果,為反饋模式的選擇提供一種量化分析方法。
中圖分類號: TM461
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172198
中文引用格式: 王武軍,路廣,李鵬翀,等. Buck變換器近遠端反饋的仿真分析與應用[J].電子技術應用,2018,44(2):120-123.
英文引用格式: Wang Wujun,Lu Guang,Li Pengchong,et al. Simulate analysis of buck converter’s near-end and far-end feedback and its application[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(2):120-123.

Simulate analysis of buck converter’s near-end and far-end feedback and its application
Wang Wujun,Lu Guang,Li Pengchong,Gong Wei,Kang Lei
Inspur(Beijing) Electronic Information Industry Co.,Ltd. State Key Laboratory of High Efficiency Server and Storage Technology,Beijing 100086,China
Abstract: The voltage detection used in buck converters has two modes: near-end and far-end feedback. With the improving requirement of compensation accuracy, the selection of compensation method can’t meet the requirements which is traditionally chosen based on the experience. In consideration of the actual path impedance and chip voltage tolerance in the article, the near-end and far-end feedback of the buck converter is simulated with SIMetrix/SIMPLIS tool, the accuracy of the simulation results is verified with the static and dynamic response data, it provides a feasible and quantitative description method for the feedback mode selection.
Key words : buck converter;simulate;near-end feedback;far-end feedback

0 引言

    在高速超大規(guī)模集成電路中,負載具有工作電壓較低、電流較大、各種工作狀態(tài)相互轉換時對應的電流變化率較高等特點[1]。

    在實際電源中,常應用的降壓型(Buck型)電壓變換器,具有結構簡單、轉換效率高等優(yōu)點。當出現輸入電壓變化、負載擾動等情況時,會引起負載端的電壓波動,嚴重的結果是電路功能異常。為了維持負載兩端電壓的穩(wěn)定,在供電模塊中引入電壓負反饋,通過反饋閉環(huán)控制占空比,實時調節(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載端,對應近端和遠端反饋兩種模式。由于存在傳輸路徑阻抗,不同反饋模式負載端的實際電壓和動態(tài)響應也會不同。

    對于反饋模式的選擇,此前采用經驗的方法,依據電源轉換方案和參數預估,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行分析,結合不同反饋模式下系統靜態(tài)和動態(tài)響應的仿真結果,評價近端和遠端反饋的效果,作為指導電路反饋模式選擇的方法。

1 Buck型變換器的近遠端反饋設計

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MOS管的開關,當MOS開關管VT1導通、VT2關斷時,輸入電壓UI經過電感L,向電容C充電,同時也給負載RL供電;當MOS開關管VT1關斷、VT2導通時,輸入電壓UI和輸出電路斷開,VT2導通續(xù)流,電路依靠存儲在電感L和電容C中的能量向負載RL供電[3]

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    圖1的電源監(jiān)測采用電壓負反饋模式,以達到穩(wěn)定反饋位置電壓的目的。反饋點電壓UO經過電阻網絡R1、R2分壓,反饋到控制器IC的FB端。在控制器(IC)內部,誤差放大器(EA)比較反饋電壓和基準電壓UREF,輸出作用到PWM控制信號,調節(jié)VT1、VT2的導通時間,改變輸出端電壓,以補償電壓的波動,保證實際供電電壓正常。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 近遠端反饋方案設計

    采用Buck型變換器為負載供電,電壓負反饋的反饋點不同,傳輸路徑的阻抗RPCB會隨路徑長度變化,造成負載實際電壓的差異。當反饋點選擇在變換器輸出端時,將反饋模式稱為近端反饋,如圖2所示;當反饋點選擇在負載端時,將反饋模式稱為遠端反饋,如圖3所示。下文對不同反饋方案的實際補償效果進行分析。

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    在圖2、圖3中,為了簡化負載電壓的求解,采用集中參數電路模型代替分布參數模型[5],假設等效的串接阻抗RPCB=25 mΩ。而R1、R2的取值比較大(kΩ),造成反饋引線幾乎沒有電流流過[6]

    由誤差放大器(EA)的“虛短”可知,B點的電壓即為基準電壓UREF=0.5 V。為保證負載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:

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    由式(1)可知,UO的值為0.6 V,即輸出點A對地的電壓為0.6 V。

    為了衡量Buck變換器在負載變化時的性能,分析近遠端反饋模式的靜態(tài)響應和動態(tài)響應。

1.2.1 靜態(tài)響應分析

    對于不同的靜態(tài)負載電流IO,在圖2中,RL兩端的近端反饋電壓UON為: 

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

    在圖3中,RL兩端的遠端反饋電壓UOF為:

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

    由式(2)、式(3)可知,由于RPCB的影響,近端反饋的負載電壓會低于額定值;而遠端反饋的負載電壓則不受RPCB的影響,能夠保持為額定電壓。

1.2.2 動態(tài)響應分析

    動態(tài)響應輸出電壓的變化量ΔU用于評價Buck變換器的負載動態(tài)響應特性。動態(tài)響應和輸出濾波電容的容量及等效串聯電阻(ESR)、旁路電容、最大允許負載電流等有關[7]。此外,動態(tài)響應的ΔU還和電路中的反饋模式有關,在不同模式下,傳輸路徑的阻抗對ΔU的影響需要考慮。

    在動態(tài)響應過程中,負載電流從Io階躍到(Io+ΔI),維持時間為Δt,階躍回到Io,則動態(tài)響應電壓上沖(或下沖)的最大值ΔUo,根據下式[8]求得:

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    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是開關周期。

    對于近端反饋模式,動態(tài)響應電壓波動的峰峰值ΔUN-P為:

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

    對于遠端反饋模式,動態(tài)響應電壓波動的峰峰值ΔUF-P為:

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    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ΔUN-P會比遠端反饋的?駐UF-P小。

2 Buck型變換器近遠端反饋的仿真

    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。

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    電路原理圖對應的PCB圖如圖5所示,遠端反饋的信號線連接到負載DDR4 DIMM socket的用電端,近端反饋的信號線連接到IR3897的輸出端。

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    將電路的PCB文件導入仿真軟件,設置限定條件和參數,仿真得到傳輸路徑的阻抗RPCB為25 mΩ。

    針對電路的近端和遠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)響應和動態(tài)響應,依據仿真結果來評價近遠端反饋的效果。

2.1 靜態(tài)響應仿真

    對DDR4 DIMM線路進行靜態(tài)響應仿真,將負載電流設置為三組不同的值,分別為最大負載電流的20%、50%和80%,靜態(tài)響應結果如表1所示。

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    在表1中,當負載電流IO為0.8 A、2 A、4 A時,遠端反饋的負載電壓穩(wěn)定在0.6 V,而近端反饋的負載電壓則逐漸偏離額定電壓,IO為4 A時,最大偏差量為86 mV,對應的負載電壓調整率為14.3 %。

2.2 動態(tài)響應仿真

    對DDR4 DIMM線路進行動態(tài)響應仿真,在輸出為階躍電流時,電流變化范圍為+1.06 A~+2.92 A,上升速率為4.3 A/μs,仿真的動態(tài)響應結果如圖6所示。

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    圖6中,當負載電流發(fā)生階躍變化,對照近遠端反饋負載電壓的動態(tài)響應,近端反饋動態(tài)響應的峰峰值為102 mV,遠端反饋動態(tài)響應的峰峰值為120 mV。

3 Buck型變換器近遠端反饋的實驗

    為了評價Buck變換器的近遠端反饋的效果,選取服務器主板上為DDR4 DIMM供電的Buck方案,具體的電路原理圖如圖4所示,測試其在近遠端反饋下的電壓性能。測試實驗中采用DDR4 VRTT Kit工具,其包含4塊負載板,并聯使用,模擬DDR4 DIMM實際的工作狀況。通過負載儀對負載板進行拉載,以示波器監(jiān)測在近遠端反饋的條件下,Buck變換器輸出電壓的實時響應波形。

3.1 靜態(tài)響應仿真

    對Buck變換器進行靜態(tài)響應測試,負載儀拉動靜態(tài)負載的變化范圍為0 A~4 A,每個測試點對應的負載變化量為10%,負載電壓隨著負載電流的變化趨勢如圖7所示,其中實線代表近端反饋的負載電壓變化曲線,虛線代表遠端反饋的負載電壓變化曲線。

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    由圖7的實驗結果可知,在負載電流變化的整個區(qū)間上,遠端反饋的負載電壓調整率小于0.1%;而近端反饋的負載電壓調整率最大為18%。在測量靜態(tài)響應時,傳輸路徑的阻抗RPCB會造成電壓降,而由于反饋位置不同,近端反饋的負載電壓存在較大程度地偏離,遠端反饋的負載電壓則比較穩(wěn)定。

3.2 動態(tài)拉載實驗

    對Buck變換器進行動態(tài)響應測試,負載儀拉動動態(tài)負載的范圍為-0.94 A~+0.92 A,上升速率為4.3 A/μs,負載電壓的動態(tài)響應結果如圖8所示。

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    在圖8中,(a)、(b)分別為近端和遠端反饋的動態(tài)響應,近端反饋動態(tài)響應的峰峰值為88.8 mV,遠端反饋動態(tài)響應的峰峰值為104.8 mV。在測量動態(tài)響應時,由于存在傳輸路徑阻抗,近端反饋電壓波動的峰峰值會比遠端反饋的小。

    對于Buck變換器近遠端反饋的靜態(tài)和動態(tài)響應,實驗與仿真結果保有一致的變化趨勢,驗證了仿真分析的可行性。實驗與仿真結果的偏差,主要來自于仿真的模型近似、實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 結論

    本文在理論上推導出負載點靜態(tài)電壓、動態(tài)響應和傳輸路徑阻抗的關系,提出仿真分析應用于Buck變換器反饋模式選擇的思想。實際應將路徑阻抗等因素納入仿真模型,通過仿真得到靜態(tài)響應和動態(tài)響應的分析結果,評價不同反饋模式的效果。最后通過實驗驗證仿真分析的可行性,為近遠端反饋的選擇提供了量化的仿真分析方法。

    運用此仿真分析方法,以仿真數據比對芯片的實際電壓需求,在實際設計中指導近端反饋或遠端反饋的方案選取。

參考文獻

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


作者信息

王武軍,路  廣,李鵬翀,貢  維,康  磊

(浪潮(北京)電子信息產業(yè)有限公司 浪潮高效能服務器和存儲技術國家重點實驗室,北京100086)



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