【学术论文】Buck变换器近远端反馈的仿真分析与应用

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U_I经过电感L，向电容C充电，同时也给负载R_L供电；当MOS开关管VT₁关断、VT₂导通时，输入电压U_I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R_L供电^[3]。

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U_O经过电阻网络R₁、R₂分压，反馈到控制器IC的F_B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U_REF，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R_PCB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。

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R_PCB=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U_REF=0.5 V。为保证负载R_L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：

由式(1)可知，U_O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I_O，在图2中，R_L两端的近端反馈电压U_ON为：

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

在图3中，R_L两端的远端反馈电压U_OF为：

在式(3)中，当I_O从0 A增加到4 A时，U_OF保持0.6 V不变。

由式(2)、式(3)可知，由于R_PCB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R_PCB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I_o阶跃到(I_o+ΔI)，维持时间为Δt，阶跃回到I_o，则动态响应电压上冲(或下冲)的最大值ΔU_o，根据下式^[8]求得：

在式(4)中，R_E为输出电容C的ESR值，U_I为输入电压，U_O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ΔU_N-P为：

在式(5)中，控制R_PCB在一定范围内，以保证ΔIR_PCB<2ΔU_O，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ΔU_F-P为：

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ΔU_N-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U_I为12 V，输出电压U_O为0.6 V，负载电流I_O最大为4 A。电路原理图如图4所示，其中传输路径阻抗为R_PCB。

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。

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R_PCB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。

在表1中，当负载电流I_O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，I_O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。

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。

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R_PCB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。

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。