3967
備注：此文章來(lái)源于MPS官方出品。
圖形處理單元 (GPU) 不斷迭代更新，其中的晶體管數(shù)目也不斷增加以提高處理器性能。如今這個(gè)數(shù)目已達(dá)到數(shù)百億的級(jí)別，與此同時(shí)，功率需求也相應(yīng)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這讓滿足瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)范變得極為困難。
本文將演示如何利用 SIMPLIS Technologies 的 SIMPLIS 模擬器來(lái)預(yù)測(cè)并優(yōu)化下一代 GPU的電源行為。因具有更高斜率要求和超過(guò) 1000A 的電流水平，下一代 GPU需要更快的瞬態(tài)響應(yīng)。
恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制
在多相降壓變換器的恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 架構(gòu)中，高速比較器代替了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的誤差放大器 (EA)。在這種架構(gòu)中，輸出電壓(VOUT)通過(guò)反饋電阻進(jìn)行采樣，再與參考電壓(VREF)進(jìn)行比較。如果 VOUT 降至 VREF 以下，則上管 MOSFET (HS-FET) 導(dǎo)通。由于MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間是固定的，因此變換器可以在穩(wěn)態(tài)下實(shí)現(xiàn)恒定頻率。如果存在負(fù)載階躍瞬變，變換器還可以大幅提高其脈沖頻率以最大限度地減少輸出下沖。但是，在這種情況下，非線性的環(huán)路控制會(huì)使環(huán)路調(diào)整復(fù)雜化。
圖 1 顯示了用于快速瞬態(tài)響應(yīng)的COT 控制。
因此，對(duì)變換器的行為和供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 進(jìn)行準(zhǔn)確的建模十分必要，它可以仿真瞬態(tài)降壓性能并驗(yàn)證各種基于 GPU 的系統(tǒng)，同時(shí)還避免了耗時(shí)且成本高昂的迭代過(guò)程。
供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）
PDN由連接電壓和接地軌的多個(gè)元件組成，其中包括電源和接地平面布線、用于電源穩(wěn)定性的去耦電容，以及連接或耦合到主電源軌的任何其他銅特性。PDN 設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是最小化電壓波動(dòng)并確保 GPU 正常運(yùn)行。
圖2: 典型GPU供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
PDN 中的組件會(huì)表現(xiàn)出寄生行為，例如電容的等效串聯(lián)電感 (ESL) 和等效串聯(lián)電阻 (ESR)。在對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行建模時(shí)，必須考慮這些寄生元件。提高斜率會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的高頻諧波。PDN 中的電阻、電感、電容 (RLC) 等組件會(huì)產(chǎn)生設(shè)計(jì)人員可能意識(shí)不到的諧振回路，其諧振頻率會(huì)放大變換器切換所產(chǎn)生的高頻諧波，從而導(dǎo)致不可預(yù)知的變換器行為。
設(shè)計(jì)規(guī)范
表 1 顯示了AI應(yīng)用中的典型電源軌要求。
表1: 電源軌規(guī)范
| 參數(shù) | 值 |
| VIN | 12V |
| VOUT | 1.8V |
| IPEAK | 1000A |
| ISTEP | 300A (低于 1μs) |
本分析基于 MPS 評(píng)估板進(jìn)行。該評(píng)估板上將數(shù)字16 相控制器MP2891和 130A、兩相、非隔離式降壓電源模塊MPC22163-130組合在一起，最高可提供2000A電流。
圖3: MPS評(píng)估板
PCB建模
評(píng)估板復(fù)雜的電源和多邊形的接地形狀以及多層堆疊的結(jié)構(gòu)，讓設(shè)計(jì)人員很難通過(guò)布局手動(dòng)計(jì)算電阻和電感。但是，PCB 的散射參數(shù)（S 參數(shù)）可以在0MHz 至 700MHz的頻率范圍內(nèi)通過(guò) Cadence Sigrity PowerSI 提取。 端口定義如下：端口 1 包含頂部的垂直模塊，端口 2 包含底部的MPC22163-130 垂直模塊，端口 3 包含電容連接，端口 4 則包含負(fù)載連接。
為電容連接分配特定端口非常重要，因?yàn)槠鋽?shù)量和排布決定了它們?cè)诰徑鈦?lái)自 GPU 的快速瞬變方面的有效性。不同的電容位置將影響 PCB 的 S 參數(shù)，無(wú)效的位置會(huì)導(dǎo)致瞬變的緩解效果不佳以及功率效率低下。通常建議將電容排成一排，以盡量減小路徑長(zhǎng)度的差異，并根據(jù)滿足目標(biāo)阻抗規(guī)格所需的諧振頻率來(lái)選擇電容。
該P(yáng)DN 板設(shè)計(jì)中采用了兩種不同的電容類型：大容量電容和 MLCC 電容。而電壓、額定溫度和結(jié)構(gòu)材料等參數(shù)會(huì)影響電容有效濾波的頻率。因此，設(shè)計(jì)人員需要在仿真中采用集總電容模型來(lái)考量電容阻抗曲線（見圖 5），從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。
集總電容模型中的 CBYPASS、ESL 和 ESR 定義了電容阻抗的頻率響應(yīng)。諧振頻率(fO)或最小阻抗點(diǎn)可以通過(guò)公式 (1) 來(lái)確定：
這些電容的主要目的是在導(dǎo)致穩(wěn)壓器模塊 (VRM) 效率低下的高頻下保持低阻抗。VRM效率低下的原因是其有效帶寬 (BW) 和相位裕度處于低頻 (<1MHz)位置。 因此，電容必須濾除頻率在 VRM BW 之外的信號(hào)，通常這個(gè)范圍在幾百 kHz 到幾 MHz 之間，而這會(huì)影響 PDN 的操作。
圖 6 為典型的 PDN 阻抗曲線，可以分為三個(gè)區(qū)域：低頻（0MHz 至 1MHz）、中頻（1MHz 至 100MHz）和高頻（100MHz 以上）。其相關(guān)性只考慮了處于低頻至中頻范圍內(nèi)的 VRM 和主板，瞬態(tài)負(fù)載施加在球柵陣列 (BGA) 連接器上。
時(shí)域仿真
瞬態(tài)仿真通過(guò) SIMPLIS 仿真器進(jìn)行。SIMPLIS 仿真器是一款開關(guān)電源系統(tǒng)電路仿真軟件，可實(shí)現(xiàn) COT 控制等非線性功能。MP2891 的 SIMPLIS 模型與MPC22163-130以及之前提取的PCB S 參數(shù)相結(jié)合。在將 S 參數(shù)用于 SIMPLIS 仿真器進(jìn)行瞬態(tài)分析之前，需要利用 Dassault Systems 的 IdEM 將 S 參數(shù)轉(zhuǎn)換為 RLGC 模型。
圖 7 所示為MP2891 和 MPC22163-130 的 SIMPLIS 模型，其中 S 參數(shù)作為串聯(lián)電感（L9 和 L3）和電阻（R1 和 R2）添加在圖中。
相關(guān)性
SIMPLIS 仿真將 MP2891 的非線性特性與精確的功率傳輸建模相結(jié)合，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)主板上的瞬態(tài)行為。如圖 8所示，SIMPLIS 仿真與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量相比較，誤差僅為 5mV。
結(jié)語(yǔ)
本文闡述了如何計(jì)算降壓變換器所需的電感，其中包括占空比、導(dǎo)通時(shí)間、?IL、L和IPK的計(jì)算。確定正確的電感，還可優(yōu)化系統(tǒng)效率、?VOUT以及環(huán)路穩(wěn)定性。
本文提出的方法在MPS 評(píng)估板上進(jìn)行，它采用多相控制器MP2891和兩相非隔離式高效率降壓電源模塊MPC22163-130對(duì)預(yù)測(cè)瞬態(tài)仿真進(jìn)行建模。精確的變換器模型和供電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多相降壓變換器的性能、瞬態(tài)下沖和過(guò)沖。因此，通過(guò)減少輸出電容的數(shù)量并確定其有效布局可以在設(shè)計(jì)早期即實(shí)現(xiàn)處理器的優(yōu)化。而且，如果設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)生變化，精確仿真將可以快速評(píng)估這些變化的影響，并識(shí)別所有潛在問(wèn)題。
