使用MXO58示波器进行高速SoC多相降压转换器电源设计分析

摘要：现代CPU、GPU、FPGA和ASIC等功能模块的供电轨数量激增，要求上电/下电过程必须精确时序控制。SoC内部为降低功耗不断压低供电电压，但电源完整性要求却更加严苛，各供电轨需提供更大电流。多相降压转换器因其在高电流供电轨中的优异表现日益普及，但电源设计与验

现代CPU、GPU、FPGA和ASIC等功能模块的供电轨数量激增，要求上电/下电过程必须精确时序控制。SoC内部为降低功耗不断压低供电电压，但电源完整性要求却更加严苛，各供电轨需提供更大电流。多相降压转换器因其在高电流供电轨中的优异表现日益普及，但电源设计与验证测试的复杂度也随之提升。

设计挑战

每相多相降压转换器（交错式转换器）至少包含一组开关晶体管和一个电感器。为发挥多相优势，各相导通时间需错相排列。在高负载稳态运行时，所有相位应保持均流且等间隔导通，使电感电流相位交错，从而显著抑制供电电流与电压纹波。由于大电流下传导损耗占主导，多相架构通过电流分流实现比单相转换器更高的效率和更低的热耗散。

基于控制器的多相降压转换器可动态调节工作相位数量（高负载时激活更多相位，轻载时关闭冗余相位），进一步优化能效表现。

多相架构对负载阶跃的响应同样出色：通过调整阶跃后首个相位的PWM信号宽度，系统能快速响应负载变化。在堆叠式设计中，主控制器为所有相位提供PWM信号并维持预设相移；而基于控制器的设计还能动态调整相位对齐或激活/关闭特定相位PWM信号，最大限度抑制负载瞬变导致的电压下冲/过冲。

尽管多相降压转换器能显著提升高速SoC电源性能，但其在静态负载与动态负载阶跃场景下的相位管理分析为验证调试带来新挑战

多相降压转换器以及相应的电压和电流的示意图

海洋仪器的解决方案

MXO58系列示波器总共提供8个模拟通道和高达2GHz的带宽（交错模式）。MXO58具有无与伦比的速度和高达450万个波形/秒的采集率，以及高达45,000次FFT/秒的FFT率。该仪器具有高达2V（在50Ω时）或5V（在1MΩ时）的可调偏移量，即使设置为最高灵敏度0.5mV/div时也是如此。结合12位分辨率（在高清模式下可达18位），这为测量直流电源轨上的小扰动提供了最大精度。

电源轨上的扰动最好使用专用的电源轨探头（如RT-ZPR）进行测量。由于它是1:1探头，因此具有该测量所需的灵敏度。探头内置直流电表，可轻松测量电源轨直流电压，并在偏移电路中自动减去该电压。这样，可以在MXO58中使用最佳灵敏度来准确测量电源轨上的扰动，同时仍显示电源轨电压的实际直流值。在具有高供电电流的电源设计测试设置中，可能会出现由接地回路引起的测量误差。将RT-ZPR与Picotest J2115A同轴隔离器结合使用，可以显著减少这些接地回路误差。