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備注：此文章來源于MPS官方出品。
圖形處理單元 (GPU) 不斷迭代更新，其中的晶體管數目也不斷增加以提高處理器性能。如今這個數目已達到數百億的級別，與此同時，功率需求也相應呈指數級增長，這讓滿足瞬態(tài)響應規(guī)范變得極為困難。
本文將演示如何利用 SIMPLIS Technologies 的 SIMPLIS 模擬器來預測并優(yōu)化下一代 GPU的電源行為。因具有更高斜率要求和超過 1000A 的電流水平，下一代 GPU需要更快的瞬態(tài)響應。
恒定導通時間（COT）控制
在多相降壓變換器的恒定導通時間 (COT) 架構中，高速比較器代替了補償網絡中的誤差放大器 (EA)。在這種架構中，輸出電壓(VOUT)通過反饋電阻進行采樣，再與參考電壓(VREF)進行比較。如果 VOUT 降至 VREF 以下，則上管 MOSFET (HS-FET) 導通。由于MOSFET 的導通時間是固定的，因此變換器可以在穩(wěn)態(tài)下實現恒定頻率。如果存在負載階躍瞬變，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)路控制會使環(huán)路調整復雜化。
圖 1 顯示了用于快速瞬態(tài)響應的COT 控制。
因此，對變換器的行為和供電網絡 (PDN) 進行準確的建模十分必要，它可以仿真瞬態(tài)降壓性能并驗證各種基于 GPU 的系統(tǒng)，同時還避免了耗時且成本高昂的迭代過程。
供電網絡（PDN）
PDN由連接電壓和接地軌的多個元件組成，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 設計的主要目標是最小化電壓波動并確保 GPU 正常運行。
圖2: 典型GPU供電網絡架構
PDN 中的組件會表現出寄生行為，例如電容的等效串聯(lián)電感 (ESL) 和等效串聯(lián)電阻 (ESR)。在對系統(tǒng)響應進行建模時，必須考慮這些寄生元件。提高斜率會產生更強的高頻諧波。PDN 中的電阻、電感、電容 (RLC) 等組件會產生設計人員可能意識不到的諧振回路，其諧振頻率會放大變換器切換所產生的高頻諧波，從而導致不可預知的變換器行為。
設計規(guī)范
表 1 顯示了AI應用中的典型電源軌要求。
表1: 電源軌規(guī)范
| 參數 | 值 |
| VIN | 12V |
| VOUT | 1.8V |
| IPEAK | 1000A |
| ISTEP | 300A (低于 1μs) |
本分析基于 MPS 評估板進行。該評估板上將數字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評估板
PCB建模
評估板復雜的電源和多邊形的接地形狀以及多層堆疊的結構，讓設計人員很難通過布局手動計算電阻和電感。但是，PCB 的散射參數（S 參數）可以在0MHz 至 700MHz的頻率范圍內通過 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 則包含負載連接。
為電容連接分配特定端口非常重要，因為其數量和排布決定了它們在緩解來自 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，無效的位置會導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，以盡量減小路徑長度的差異，并根據滿足目標阻抗規(guī)格所需的諧振頻率來選擇電容。
該PDN 板設計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、額定溫度和結構材料等參數會影響電容有效濾波的頻率。因此，設計人員需要在仿真中采用集總電容模型來考量電容阻抗曲線（見圖 5），從而優(yōu)化設計。
集總電容模型中的 CBYPASS、ESL 和 ESR 定義了電容阻抗的頻率響應。諧振頻率(fO)或最小阻抗點可以通過公式 (1) 來確定：
這些電容的主要目的是在導致穩(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，通常這個范圍在幾百 kHz 到幾 MHz 之間，而這會影響 PDN 的操作。
圖 6 為典型的 PDN 阻抗曲線，可以分為三個區(qū)域：低頻（0MHz 至 1MHz）、中頻（1MHz 至 100MHz）和高頻（100MHz 以上）。其相關性只考慮了處于低頻至中頻范圍內的 VRM 和主板，瞬態(tài)負載施加在球柵陣列 (BGA) 連接器上。
時域仿真
瞬態(tài)仿真通過 SIMPLIS 仿真器進行。SIMPLIS 仿真器是一款開關電源系統(tǒng)電路仿真軟件，可實現 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 參數相結合。在將 S 參數用于 SIMPLIS 仿真器進行瞬態(tài)分析之前，需要利用 Dassault Systems 的 IdEM 將 S 參數轉換為 RLGC 模型。
圖 7 所示為MP2891 和 MPC22163-130 的 SIMPLIS 模型，其中 S 參數作為串聯(lián)電感（L9 和 L3）和電阻（R1 和 R2）添加在圖中。
相關性
SIMPLIS 仿真將 MP2891 的非線性特性與精確的功率傳輸建模相結合，從而準確預測主板上的瞬態(tài)行為。如圖 8所示，SIMPLIS 仿真與實驗室測量相比較，誤差僅為 5mV。
結語
本文闡述了如何計算降壓變換器所需的電感，其中包括占空比、導通時間、?IL、L和IPK的計算。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 評估板上進行，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對預測瞬態(tài)仿真進行建模。精確的變換器模型和供電網絡參數能夠準確預測多相降壓變換器的性能、瞬態(tài)下沖和過沖。因此，通過減少輸出電容的數量并確定其有效布局可以在設計早期即實現處理器的優(yōu)化。而且，如果設計規(guī)范發(fā)生變化，精確仿真將可以快速評估這些變化的影響，并識別所有潛在問題。
