【導讀】本文演示了如何使用SIMPLIS Technologies 的SIMPLIS模擬器來預測和優化下一代 GPU 的電源行為，其中高轉換率要求和超過 1,000 A 的電流水平需要更快的瞬態響應。
如今，圖形處理單元 (GPU) 具有數百億個晶體管。隨著每一代新一代 GPU 的出現，GPU 中的晶體管數量不斷增加，以提高處理器性能。然而，晶體管數量的增加也導致功率需求呈指數增長，這使得滿足瞬態響應規范變得更加困難。
本文演示了如何使用SIMPLIS Technologies 的SIMPLIS模擬器來預測和優化下一代 GPU 的電源行為，其中高轉換率要求和超過 1,000 A 的電流水平需要更快的瞬態響應。
恒定導通時間 (COT) 控制
多相降壓轉換器的恒定導通時間 (COT) 架構用高速比較器取代了補償網絡中的誤差放大器 (EA)。輸出電壓 (V OUT ) 通過反饋電阻器檢測，并與參考電壓 (V REF ) 進行比較。當 V OUT降至低于 V REF時，高側 MOSFET (HS-FET) 導通。MOSFET 的導通時間是固定的，這意味著轉換器可以在穩定狀態下實現恒定頻率。如果存在負載階躍瞬變，轉換器還可以顯著提高其脈沖率，以限度地減少輸出下沖。然而，在這種情況下，非線性環路控制會使環路調整復雜化。
圖 1顯示了用于快速瞬態響應的 COT 控制。
圖 1 COT 控制實現快速瞬態響應。資料：單片電源系統
必須對轉換器的行為和供電網絡 (PDN) 進行準確建模，以仿真瞬態降壓性能并驗證各種基于 GPU 的系統，而無需經歷漫長、昂貴的迭代過程。
供電網絡 (PDN)
PDN 由連接到電壓和接地軌的組件組成，包括電源和接地平面布局、用于電源穩定性的去耦電容器，以及連接或耦合到主電源軌的任何其他銅特性。PDN 設計的主要目標是化電壓波動并確保 GPU 正常運行。
圖 2顯示了典型 GPU 供電網絡的 PDN 架構。
圖 2典型 GPU 供電網絡的 PDN 架構包括連接到電壓和接地軌的組件。資料：單片電源系統
PDN 中的組件顯示寄生行為，例如電容器的等效串聯電感 (ESL) 和等效串聯電阻 (ESR)。在對系統響應進行建模時，還必須考慮這些寄生元件。增加轉換速率會產生更強大的高頻諧波。PDN 的電阻器、電感器、電容器 (RLC) 組件會產生設計人員可能沒有意識到的諧振回路，其諧振頻率會放大轉換器切換產生的高頻諧波，從而導致意外的轉換器行為。
表 1顯示了人工智能 (AI) 應用的典型電源軌要求。
表 1上面的數字突出顯示了電源軌的設計規范。資料：單片電源系統
此分析是使用評估板執行的，該評估板結合了16 相數字控制器MP2891和130 A、兩相、非隔離式降壓電源模塊MPC22163-130 。評估板可達 2,000 A（圖 3）。
圖3評估板結合了數字控制器和降壓電源模塊。資料：單片電源系統
PCB建模
電源和接地多邊形形狀的復雜性和多層堆疊使得很難從布局中手動計算電阻和電感。相反，PCB 的散射參數（S 參數）可以使用 Cadence Sigrity PowerSI 提取，頻率范圍為 0 MHz 至 700 MHz。端口定義如下： 端口 1 包括頂部的垂直模塊；端口 2 包括底部的垂直 MPC22163-130 模塊；端口 3 包括電容器連接；端口 4 包括與負載的連接。
圖 4提取 PCB 的 S 參數需要特定的端口配置。資料：單片電源系統
為電容器連接分配特殊端口很重要，因為它們在緩解來自 GPU 的快速瞬變方面的有效性取決于數量和位置。不同的電容器位置會影響 PCB 的 S 參數，無效的定位會導致瞬態緩解效果不佳和功率效率低下。通常，建議將電容器排成一排，以盡量減少路徑長度的差異，并根據滿足目標阻抗規格所需的諧振頻率來選擇電容。
此 PDN 板設計中使用了兩種不同的電容器類型：大容量電容器和 MLCC 電容器。電壓、額定溫度和結構材料等參數會影響電容器有效濾波的頻率。因此，為了優化設計，設計人員必須在仿真中使用集總電容模型來考慮電容器的阻抗曲線（見圖5）。
圖 5等效大容量電容器模型和頻率響應評估電容器的阻抗曲線。資料：單片電源系統
集總電容模型中的C BYPASS、ESL 和 ESR 定義了電容器阻抗的頻率響應。諧振頻率 (f O )，或阻抗點，可以用公式 (1) 確定：
fo = 1/2π√L×C (1)
這些電容器的主要目的是在承受穩壓器模塊 (VRM) 效率低下的高頻時保持低阻抗。出現這種低效率是因為 VRM 的有效帶寬和相位裕度處于低頻 (<1MHz)。因此，電容器必須濾除頻率在 VRM 帶寬之外的信號，通常范圍在幾百 kHz 到幾 MHz 之間，這會影響 PDN 的操作。
圖 6顯示了典型的 PDN 阻抗曲線，可分為三個區域：低頻（0 MHz 至 1 MHz）、中頻（1 MHz 至 100 MHz）和高頻（100 MHz 以上）。這種相關性只考慮了處于低頻到中頻范圍內的 VRM 和主板，瞬態負載施加在球柵陣列 (BGA) 連接器上。
圖 6 PDN 阻抗曲線顯示了三個不同的頻率范圍。資料：單片電源系統
時域仿真與關聯
瞬態仿真是使用 SIMPLIS 仿真器進行的，SIMPLIS 仿真器是一種開關電源系統電路仿真軟件，可實現 COT 控制等非線性功能。MP2891 數字控制器的 SIMPLIS 模型結合了 MPC22163-130 降壓模塊和之前提取的 PCB 的 S 參數。在將 S 參數用于 SIMPLIS 模擬器進行瞬態分析之前，必須使用 Dassault Systems 的 IdEM 將 S 參數轉換為 RLGC 模型。
圖 7顯示了 MP2891 和 MPC22163-130 的 SIMPLIS 模型，其中 S 參數作為串聯電感器（L9 和 L3）和電阻器（R1 和 R2）添加到原理圖中。
圖 7 SIMPLIS 模型對 MP2891 和 MPC22163-130 進行瞬態仿真。資料：單片電源系統
SIMPLIS 仿真將 MP2891 數字控制器的非線性與的功率傳輸建模相結合，能夠準確預測主板上的瞬態行為。圖 8顯示了 SIMPLIS 仿真和實驗室測量的比較，其中差異僅為 5 mV。
圖 8 SIMPLIS 仿真和實驗室測量之間只有 5 mV 的差異。資料：單片電源系統
為什么要進行瞬態仿真？
本文在評估板上使用多相控制器和兩相非隔離式高效降壓電源模塊對預測瞬態仿真進行建模。的轉換器模型和供電網絡參數允許準確預測多相降壓轉換器的性能、瞬態下垂和過沖。
因此，可以通過減少輸出電容器的數量并確定其有效位置來在早期階段優化處理器設計。此外，如果設計規范發生變化，準確的模擬可以快速評估這些變化的影響，并識別任何潛在問題。
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