《电子技术应用》

Buck变换器近远端反馈的仿真分析与应用

2018年电子技术应用第2期
王武军,路 广,李鹏翀,贡 维,康 磊
(浪潮(北京)电子信息产业有限公司 浪潮高效能服务器和存储技术国家重点实验室,北京100086)
摘要: Buck型变换器中主要有近端和远端反馈两种侦测模式,随着补偿精度要求的提高,补偿点位置的选取对负载芯片工作稳定性的影响越来越大,依靠经验来选择补偿方式已不能满足设计要求。通过对实际路径阻抗和芯片电压容限等因素分析,针对Buck变换器的近端和远端反馈进行仿真对比,以实测静态和动态响应数据验证仿真结果,为反馈模式的选择提供一种量化分析方法。

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.

    中图分类号: TM461

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172198


    中文引用格式: 王武军,路广,李鹏翀,等. Buck变换器近远端反馈仿真分析与应用[J].电子技术应用,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.

0 引言

    在高速超大规模集成电路中,负载具有工作电压较低、电流较大、各种工作状态相互转换时对应的电流变化率较高等特点[1]

    在实际电源中,常应用的降压型(Buck型)电压变换器,具有结构简单、转换效率高等优点。当出现输入电压变化、负载扰动等情况时,会引起负载端的电压波动,严重的结果是电路功能异常。为了维持负载两端电压的稳定,在供电模块中引入电压负反馈,通过反馈闭环控制占空比,实时调节电压变换器的输出电压[2]

    电压侦测的反馈位置靠近变换器输出端或负载端,对应近端和远端反馈两种模式。由于存在传输路径阻抗,不同反馈模式负载端的实际电压和动态响应也会不同。

    对于反馈模式的选择,此前采用经验的方法,依据电源转换方案和参数预估,选择Buck型变换器的反馈模式,这种方法没有综合考虑传输路径阻抗、芯片对供电电压容忍度等因素。

    本文通过对传输路径阻抗和芯片电压容忍度等因素进行分析,结合不同反馈模式下系统静态和动态响应的仿真结果,评价近端和远端反馈的效果,作为指导电路反馈模式选择的方法。

1 Buck型变换器的近远端反馈设计

1.1 Buck型变换器的原理

    Buck型变换器的基本原理如图1所示。PWM信号分别控制两个MOS管的开关,当MOS开关管VT1导通、VT2关断时,输入电压UI经过电感L,向电容C充电,同时也给负载RL供电;当MOS开关管VT1关断、VT2导通时,输入电压UI和输出电路断开,VT2导通续流,电路依靠存储在电感L和电容C中的能量向负载RL供电[3]

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    图1的电源监测采用电压负反馈模式,以达到稳定反馈位置电压的目的。反馈点电压UO经过电阻网络R1、R2分压,反馈到控制器IC的FB端。在控制器(IC)内部,误差放大器(EA)比较反馈电压和基准电压UREF,输出作用到PWM控制信号,调节VT1、VT2的导通时间,改变输出端电压,以补偿电压的波动,保证实际供电电压正常。在低电压、大电流的情况下,这种措施的效果更加显著[4]

1.2 近远端反馈方案设计

    采用Buck型变换器为负载供电,电压负反馈的反馈点不同,传输路径的阻抗RPCB会随路径长度变化,造成负载实际电压的差异。当反馈点选择在变换器输出端时,将反馈模式称为近端反馈,如图2所示;当反馈点选择在负载端时,将反馈模式称为远端反馈,如图3所示。下文对不同反馈方案的实际补偿效果进行分析。

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    在图2、图3中,为了简化负载电压的求解,采用集中参数电路模型代替分布参数模型[5],假设等效的串接阻抗RPCB=25 mΩ。而R1、R2的取值比较大(kΩ),造成反馈引线几乎没有电流流过[6]

    由误差放大器(EA)的“虚短”可知,B点的电压即为基准电压UREF=0.5 V。为保证负载RL两端电压为额定值,取R1,R2为1.5 kΩ和7.5 kΩ,则输出电压为:

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    由式(1)可知,UO的值为0.6 V,即输出点A对地的电压为0.6 V。

    为了衡量Buck变换器在负载变化时的性能,分析近远端反馈模式的静态响应和动态响应。

1.2.1 静态响应分析

    对于不同的静态负载电流IO,在图2中,RL两端的近端反馈电压UON为: 

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    在式(2)中,当输出电流IO从0 A增加到4 A时,UON由0.6 V减小到0.5 V。

    在图3中,RL两端的远端反馈电压UOF为:

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    在式(3)中,当IO从0 A增加到4 A时,UOF保持0.6 V不变。

    由式(2)、式(3)可知,由于RPCB的影响,近端反馈的负载电压会低于额定值;而远端反馈的负载电压则不受RPCB的影响,能够保持为额定电压。

1.2.2 动态响应分析

    动态响应输出电压的变化量ΔU用于评价Buck变换器的负载动态响应特性。动态响应和输出滤波电容的容量及等效串联电阻(ESR)、旁路电容、最大允许负载电流等有关[7]。此外,动态响应的ΔU还和电路中的反馈模式有关,在不同模式下,传输路径的阻抗对ΔU的影响需要考虑。

    在动态响应过程中,负载电流从Io阶跃到(Io+ΔI),维持时间为Δt,阶跃回到Io,则动态响应电压上冲(或下冲)的最大值ΔUo,根据下式[8]求得:

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    在式(4)中,RE为输出电容C的ESR值,UI为输入电压,UO为输出电压,L为输出电感,T是开关周期。

    对于近端反馈模式,动态响应电压波动的峰峰值ΔUN-P为:

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    在式(5)中,控制RPCB在一定范围内,以保证ΔIRPCB<2ΔUO,实际线路一般满足这个要求。

    对于远端反馈模式,动态响应电压波动的峰峰值ΔUF-P为:

    dy1-gs6.gif

    由式(4)~式(6)可知,对于同一线路的不同反馈模式,由于传输路径阻抗RPCB的影响,近端反馈的ΔUN-P会比远端反馈的?驻UF-P小。

2 Buck型变换器近远端反馈的仿真

    以DDR4 DIMM供电为例,Buck变换器由控制器IR3897和外围元件组成,输入电压UI为12 V,输出电压UO为0.6 V,负载电流IO最大为4 A。电路原理图如图4所示,其中传输路径阻抗为RPCB

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    电路原理图对应的PCB图如图5所示,远端反馈的信号线连接到负载DDR4 DIMM socket的用电端,近端反馈的信号线连接到IR3897的输出端。

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    将电路的PCB文件导入仿真软件,设置限定条件和参数,仿真得到传输路径的阻抗RPCB为25 mΩ。

    针对电路的近端和远端反馈两种工作模式,使用工具软件仿真Buck变换器的静态响应和动态响应,依据仿真结果来评价近远端反馈的效果。

2.1 静态响应仿真

    对DDR4 DIMM线路进行静态响应仿真,将负载电流设置为三组不同的值,分别为最大负载电流的20%、50%和80%,静态响应结果如表1所示。

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    在表1中,当负载电流IO为0.8 A、2 A、4 A时,远端反馈的负载电压稳定在0.6 V,而近端反馈的负载电压则逐渐偏离额定电压,IO为4 A时,最大偏差量为86 mV,对应的负载电压调整率为14.3 %。

2.2 动态响应仿真

    对DDR4 DIMM线路进行动态响应仿真,在输出为阶跃电流时,电流变化范围为+1.06 A~+2.92 A,上升速率为4.3 A/μs,仿真的动态响应结果如图6所示。

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    图6中,当负载电流发生阶跃变化,对照近远端反馈负载电压的动态响应,近端反馈动态响应的峰峰值为102 mV,远端反馈动态响应的峰峰值为120 mV。

3 Buck型变换器近远端反馈的实验

    为了评价Buck变换器的近远端反馈的效果,选取服务器主板上为DDR4 DIMM供电的Buck方案,具体的电路原理图如图4所示,测试其在近远端反馈下的电压性能。测试实验中采用DDR4 VRTT Kit工具,其包含4块负载板,并联使用,模拟DDR4 DIMM实际的工作状况。通过负载仪对负载板进行拉载,以示波器监测在近远端反馈的条件下,Buck变换器输出电压的实时响应波形。

3.1 静态响应仿真

    对Buck变换器进行静态响应测试,负载仪拉动静态负载的变化范围为0 A~4 A,每个测试点对应的负载变化量为10%,负载电压随着负载电流的变化趋势如图7所示,其中实线代表近端反馈的负载电压变化曲线,虚线代表远端反馈的负载电压变化曲线。

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    由图7的实验结果可知,在负载电流变化的整个区间上,远端反馈的负载电压调整率小于0.1%;而近端反馈的负载电压调整率最大为18%。在测量静态响应时,传输路径的阻抗RPCB会造成电压降,而由于反馈位置不同,近端反馈的负载电压存在较大程度地偏离,远端反馈的负载电压则比较稳定。

3.2 动态拉载实验

    对Buck变换器进行动态响应测试,负载仪拉动动态负载的范围为-0.94 A~+0.92 A,上升速率为4.3 A/μs,负载电压的动态响应结果如图8所示。

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    在图8中,(a)、(b)分别为近端和远端反馈的动态响应,近端反馈动态响应的峰峰值为88.8 mV,远端反馈动态响应的峰峰值为104.8 mV。在测量动态响应时,由于存在传输路径阻抗,近端反馈电压波动的峰峰值会比远端反馈的小。

    对于Buck变换器近远端反馈的静态和动态响应,实验与仿真结果保有一致的变化趋势,验证了仿真分析的可行性。实验与仿真结果的偏差,主要来自于仿真的模型近似、实际传输路径阻抗的偏差、测试过程中引入的测试误差等因素。

4 结论

    本文在理论上推导出负载点静态电压、动态响应和传输路径阻抗的关系,提出仿真分析应用于Buck变换器反馈模式选择的思想。实际应将路径阻抗等因素纳入仿真模型,通过仿真得到静态响应和动态响应的分析结果,评价不同反馈模式的效果。最后通过实验验证仿真分析的可行性,为近远端反馈的选择提供了量化的仿真分析方法。

    运用此仿真分析方法,以仿真数据比对芯片的实际电压需求,在实际设计中指导近端反馈或远端反馈的方案选取。

参考文献

[1] 沈凯明.带前馈电容的第三类补偿反馈网络在开关电源中的作用[D].上海:复旦大学,2011.

[2] 姜明权.基于Buck变压器变压模式建模与仿真[D].大庆:东北石油大学,2015.

[3] 堵国樑,吴建辉,樊兆雯,等.模拟电子电路基础[M].北京:机械工业出版社,2014.

[4] Keith BILLINGS.开关电源手册[M].北京:人民邮电出版社,2006.

[5] 胡晓倩,杨菁,张莲.电阻分压器的集中参数电路模型及分析[J].重庆工学院学报(自然科学版),2008(7):96-98,116.

[6] Maniktala SANJAYA.开关电源故障诊断与排除[M].北京:人民邮电出版社,2011.

[7] 沙占友.开关电源设计入门与实例解析[M].北京:中国电力出版社,2009.

[8] 王凤岩.快速瞬态响应电压调节器控制方法的研究[D].成都:西南交通大学,2005.


作者信息

王武军,路  广,李鹏翀,贡  维,康  磊

(浪潮(北京)电子信息产业有限公司 浪潮高效能服务器和存储技术国家重点实验室,北京100086)



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