GPU 的预测瞬态仿真分析

如今，图形处理单元 (GPU) 具有数百亿个晶体管。随着每一代新一代 GPU 的出现，GPU 中的晶体管数量不断增加，以提高处理器性能。然而，晶体管数量的增加也导致功率需求呈指数增长，这使得满足瞬态响应规范变得更加困难。

本文演示了如何使用SIMPLIS Technologies 的SIMPLIS模拟器来预测和优化下一代 GPU 的电源行为，其中高转换率要求和超过 1,000 A 的电流水平需要更快的瞬态响应。

恒定导通时间 (COT) 控制

多相降压转换器的恒定导通时间 (COT) 架构用高速比较器取代了补偿网络中的误差放大器 (EA)。输出电压 (V OUT ) 通过反馈电阻器检测，并与参考电压 (V REF ) 进行比较。当 V OUT降至低于 V REF时，高侧 MOSFET (HS-FET) 导通。MOSFET 的导通时间是固定的，这意味着转换器可以在稳定状态下实现恒定频率。如果存在负载阶跃瞬变，转换器还可以显着提高其脉冲率，以限度地减少输出下冲。然而，在这种情况下，非线性环路控制会使环路调整复杂化。

图 1显示了用于快速瞬态响应的 COT 控制。

图 1 COT 控制实现快速瞬态响应。资料：单片电源系统

必须对转换器的行为和供电网络 (PDN) 进行准确建模，以仿真瞬态降压性能并验证各种基于 GPU 的系统，而无需经历漫长、昂贵的迭代过程。

供电网络 (PDN)

PDN 由连接到电压和接地轨的组件组成，包括电源和接地平面布局、用于电源稳定性的去耦电容器，以及连接或耦合到主电源轨的任何其他铜特性。PDN 设计的主要目标是化电压波动并确保 GPU 正常运行。

图 2显示了典型 GPU 供电网络的 PDN 架构。

图 2典型 GPU 供电网络的 PDN 架构包括连接到电压和接地轨的组件。资料：单片电源系统

PDN 中的组件显示寄生行为，例如电容器的等效串联电感 (ESL) 和等效串联电阻 (ESR)。在对系统响应进行建模时，还必须考虑这些寄生元件。增加转换速率会产生更强大的高频谐波。PDN 的电阻器、电感器、电容器 (RLC) 组件会产生设计人员可能没有意识到的谐振回路，其谐振频率会放大转换器开关产生的高频谐波，从而导致意外的转换器行为。

表 1显示了人工智能 (AI) 应用的典型电源轨要求。

表 1上面的数字突出显示了电源轨的设计规范。资料：单片电源系统

此分析是使用评估板执行的，该评估板结合了16 相数字控制器MP2891和130 A、两相、非隔离式降压电源模块MPC22163-130 。评估板可达 2,000 A（图 3）。

图3评估板结合了数字控制器和降压电源模块。资料：单片电源系统

PCB建模

电源和接地多边形形状的复杂性和多层堆叠使得很难从布局中手动计算电阻和电感。相反，PCB 的散射参数（S 参数）可以使用 Cadence Sigrity PowerSI 提取，频率范围为 0 MHz 至 700 MHz。端口定义如下： 端口 1 包括顶部的垂直模块；端口 2 包括底部的垂直 MPC22163-130 模块；端口 3 包括电容器连接；端口 4 包括与负载的连接。

图 4提取 PCB 的 S 参数需要特定的端口配置。资料：单片电源系统

为电容器连接分配特殊端口很重要，因为它们在缓解来自 GPU 的快速瞬变方面的有效性取决于数量和位置。不同的电容器位置会影响 PCB 的 S 参数，无效的定位会导致瞬态缓解效果不佳和功率效率低下。通常，建议将电容器排成一排，以尽量减少路径长度的差异，并根据满足目标阻抗规格所需的谐振频率来选择电容。

此 PDN 板设计中使用了两种不同的电容器类型：大容量电容器和 MLCC 电容器。电压、额定温度和结构材料等参数会影响电容器有效滤波的频率。因此，为了优化设计，设计人员必须在仿真中使用集总电容模型来考虑电容器的阻抗曲线（见图5）。

图 5等效大容量电容器模型和频率响应评估电容器的阻抗曲线。资料：单片电源系统

集总电容模型中的C BYPASS、ESL 和 ESR 定义了电容器阻抗的频率响应。谐振频率 (f O )，或阻抗点，可以用公式 (1) 确定：

fo = 1/2π√L×C (1)

这些电容器的主要目的是在承受稳压器模块 (VRM) 效率低下的高频时保持低阻抗。出现这种低效率是因为 VRM 的有效带宽和相位裕度处于低频 (<1MHz)。因此，电容器必须滤除频率在 VRM 带宽之外的信号，通常范围在几百 kHz 到几 MHz 之间，这会影响 PDN 的操作。

图 6显示了典型的 PDN 阻抗曲线，可分为三个区域：低频（0 MHz 至 1 MHz）、中频（1 MHz 至 100 MHz）和高频（100 MHz 以上）。这种相关性只考虑了处于低频到中频范围内的 VRM 和主板，瞬态负载施加在球栅阵列 (BGA) 连接器上。

图 6 PDN 阻抗曲线显示了三个不同的频率范围。资料：单片电源系统

时域仿真与关联

瞬态仿真是使用 SIMPLIS 仿真器进行的，SIMPLIS 仿真器是一种开关电源系统电路仿真软件，可实现 COT 控制等非线性功能。MP2891 数字控制器的 SIMPLIS 模型结合了 MPC22163-130 降压模块和之前提取的 PCB 的 S 参数。在将 S 参数用于 SIMPLIS 模拟器进行瞬态分析之前，必须使用 Dassault Systems 的 IdEM 将 S 参数转换为 RLGC 模型。

图 7显示了 MP2891 和 MPC22163-130 的 SIMPLIS 模型，其中 S 参数作为串联电感器（L9 和 L3）和电阻器（R1 和 R2）添加到原理图中。

图 7 SIMPLIS 模型对 MP2891 和 MPC22163-130 进行瞬态仿真。资料：单片电源系统

SIMPLIS 仿真将 MP2891 数字控制器的非线性与准确的功率传输建模相结合，能够准确预测主板上的瞬态行为。图 8显示了 SIMPLIS 仿真和实验室测量的比较，其中差异仅为 5 mV。

图 8 SIMPLIS 仿真和实验室测量之间只有 5 mV 的差异。资料：单片电源系统

为什么要进行瞬态仿真？

本文在评估板上使用多相控制器和两相非隔离式高效降压电源模块对预测瞬态仿真进行建模。的转换器模型和供电网络参数允许准确预测多相降压转换器的性能、瞬态下垂和过冲。

因此，可以通过减少输出电容器的数量并确定其有效位置来在早期阶段优化处理器设计。此外，如果设计规范发生变化，准确的模拟可以快速评估这些变化的影响，并识别任何潜在问题。