隨著功能變多、處理能力增強、數據速率不斷提高，高速片上系統 (SoC) 的電源設計充滿了挑戰。為現代 CPU、GPU、FPGA、ASIC 等各種功能塊供電的電源軌數量不斷增加，需要在通電和斷電期間準確控制電源時序。電源電壓也有所降低，以減少 SoC 的內部功耗。電源完整性要求變得更加嚴格，需要為電源軌提供更大的電源電流。多相降壓轉換器在大電流電源軌中的應用越來越常見。這種轉換器具有諸多優勢，但在電源設計和驗證測試方面也給設計人員帶來了挑戰。

使用 MXO 58 八通道示波器分析多相降壓轉換器設計的電源完整性（由德州儀器提供）

您的任務

多相降壓轉換器（交錯式轉換器）的每個相都至少有一組開關晶體管和一個電感器。為了利用多相特性，各相的導通時間會相互偏移。在高負載穩態操作中，所有級都應處于活動狀態，并且相互之間同等偏移，各級之間的電源電流保持平衡。因此，電感器電流也會發生相移，以最大限度地減少電源電流和電源電壓中的紋波。大電流操作中的損耗主要是傳導損耗。因此，多相降壓轉換器比單個轉換器的效率更高、散熱更少，因為總電流分布在多個級上，而不是像單個轉換器一樣分布在單個級上。

基于控制器的多相降壓轉換器可以在高負載期間動態激活各級、在低負載期間移除各級，因此效率更高。

多相降壓轉換器還具有出色的負載階躍響應能力。由于各相的導通時間相互偏移，多相降壓轉換器可以為緊隨負載階躍之后的相位調整脈沖寬度調制 (PWM) 信號，從而快速響應負載階躍。在堆疊設計中，主控制器為所有相位提供 PWM 信號。這種設計可以在各級之間保持預定義的相移。基于控制器的多相設計可以為各級動態對齊相位或激活/停用 PWM 信號，以進一步最大限度地減少這些負載瞬變引起的下沖和過沖。

盡管多相降壓轉換器是用來改進高速 SoC 電源設計的性能和效率的強大工具，但在分析各種靜態負載條件或動態負載階躍場景下的相位管理時，多相降壓轉換器會增加驗證和調試測試的難度。

多相降壓轉換器示意圖以及激活兩個相位時穩態運行下的相應電壓和電流

多相降壓轉換器示意圖，帶專用的多相控制器以實現最大的靈活性（左）以及具有主轉換器和次轉換器的堆疊拓撲結構（右）。

應用

采用多相降壓轉換器的典型電源設計測量包括：

效率測量
系統在不同的負載條件下和典型的動態負載場景下測量多相降壓轉換器的效率。

高速 SoC 電源電壓的電源完整性分析
在各種靜態負載條件下和動態負載階躍場景下進行測量，可以確保電源軌電壓符合噪聲、紋波、下沖和過沖容差要求。測量通常在時域和頻域中進行。

時域和頻域中的電源完整性分析，顯示 2.24 MHz 開關頻率及其諧波

多相降壓轉換器內部各級的相位分析
在靜態負載條件下和定義的負載階躍場景下進行測量，以驗證多相降壓轉換器各級是否以低延遲響應負載階躍，并驗證各級的整體相位管理。

動態負載階躍場景中的相位對齊和 PWM 軌跡，連續打開/關閉 160 A 負載。波形和 PWM 軌跡顯示相位立即響應了負載階躍。

使用 MXO 58 的 A/B/R 序列觸發測量 160 A 負載階躍上的電壓過沖。過沖會有所不同，具體取決于多相降壓轉換器開關周期內負載瞬變的位置（由 Signal Edge Solutions 提供）

羅德與施瓦茨解決方案

MXO 58 系列示波器一共提供 8 個模擬通道，帶寬高達 2 GHz（交織模式）。R&S?MXO5-B1 選件可以增加 16 個數字通道，不必停用任何模擬通道。得益于內置的硬件加速功能，MXO 58 提供優異的操作速度，波形捕獲率高達 450 萬波形/秒，FFT 速率達到了 45,000 FFT/s。

即使設置成最高靈敏度 0.5 mV/div，示波器的可調偏置也高達 2 V（50 Ω 時）或 5 V（1 MΩ 時）。再加上 12 位分辨率（HD 模式下高達 18 位），最大程度地保證準確測量直流電源軌上的微小干擾。

MXO 5 標配強大的多功能數字觸發系統，支持基于 A/B/R 序列觸發的基礎邊沿觸發和強大的區域觸發等各種觸發類型。區域觸發功能可以觸發由不同信號源（采集的波形、數學波形或頻譜視圖）組成的用戶自定義區域組合，從而捕獲特定事件。

這款示波器和 MXO 5C 一樣采用緊湊的 2 HU 外形，沒有顯示屏，可以在自動化測試應用中遠程控制設備。

R&S?RT-ZPR20 電源軌探頭和 Picotest J2115A 同軸隔離器（由 Signal Edge Solutions 提供）

測量電源軌上的擾動時，最好使用專用的電源軌探頭，例如 R&S?RT-ZPR。R&S?RT-ZPR 是 1:1 探頭，滿足此類測量的靈敏度要求。探頭內置直流表，可以輕松測量電源軌直流電壓，并在偏移電路中自動減去測量值。這樣一來，MXO 5 可以使用**靈敏度來準確測量電源軌上的擾動，同時顯示電源軌電壓的實際直流值。對于具有大電源電流的電源設計，測試裝置中的接地環路可能會導致測量誤差。結合使用 R&S?RT-ZPR 與 Picotest J2115A 同軸隔離器，可以顯著減小這種接地環路誤差。

測量開關節點電壓時，還需要考慮多相降壓轉換器中各級的大電流的接地環路影響。R&S?RT-ZD 等差分探頭可以消除這些影響，是此類測量的理想之選。

測量電源效率時，可以使用 R&S?RT-ZCxx 電流探頭和羅氏線圈測量電流并計算瞬時功率。

總結

MXO 5 和 MXO 5C 系列示波器非常適合分析高速 SoC 電源設計的電源完整性。示波器提供多達 8 個模擬通道、16 個數字通道和各種探頭，能夠以出色的靈敏度準確測量噪聲、紋波、下沖和過沖。憑借優異的測量速度和強大的觸發系統，示波器可以有效檢測時域和頻域中的電源軌干擾，從而分析多相降壓轉換器中各級的 PWM 信號。