機能の増加、処理能力の向上、データレートの高速化のために、高速システムオンチップ（SoC）のパワーデザインは困難さを増しています。最近のCPU、GPU、FPGA、ASICなどでは、さまざまな機能ブロックに給電するためのパワーレール数の増加に伴い、電源投入時と電源を落とす際に精密なシーケンス制御が必要になっています。また、SoC内部の電力損失を減らすため、電源電圧レベルも低下しています。パワーインテグリティー要件はさらに厳格になり、パワーレールで必要とされる電源電流はさらに大きくなっています。大電流パワーレールでは、マルチフェーズ降圧コンバーターの使用がますます一般的になっています。これらのコンバーターには多くの利点がありますが、パワーデザインと検証テストにあたってはさまざまな課題が生じます。
MXO 58 8チャネルオシロスコープによるマルチフェーズ降圧コンバーターデザインのパワーインテグリティー解析（提供：Texas Instruments）
課題
マルチフェーズ降圧コンバーター（インターリーブ型コンバーター）の各フェーズには、少なくとも1組のスイッチングトランジスタと1個のインダクターが存在します。マルチフェーズ特性の利点を活かすため、フェーズのオン時間は互いにずらされます。高負荷の定常状態動作では、すべてのステージがアクティブになり、相互のずれが均等になることで、電源電流がステージ間で均衡します。その結果、インダクター電流も位相シフトされ、電源電流と電源電圧のリップルが最小化されます。電流レベルが高い場合、導通損失が支配的になります。この場合、マルチフェーズ降圧コンバーターは、全電流が1つのステージでなく複数のステージに分配されるため、シングルコンバーターよりも効率が高く、発熱が少なくなります。
コントローラーベースのマルチフェーズ降圧コンバーターの場合、高負荷期間中はステージを動的にアクティブ化し、低負荷期間中はステージを減らすことができるため、さらに高い効率を実現できます。
マルチフェーズ降圧コンバーターは、負荷のステップに対する応答が速いという利点もあります。フェーズのオン時間が互いにずれているため、マルチフェーズ降圧コンバーターは、負荷のステップの直後のフェーズでパルス幅変調（PWM）信号を調整することにより、負荷のステップにすばやく応答できます。スタック型デザインでは、1次コントローラーがすべてのフェーズに対するPWM信号を供給します。このデザインでは、ステージ間で定義済みの位相シフトが維持されます。コントローラーベースのマルチフェーズデザインは、動的にフェーズを調整したり、対応するステージのPWM信号をオン／オフしたりすることで、負荷の過渡変動によるアンダーシュートやオーバーシュートをさらに減らすことができます。
マルチフェーズ降圧コンバーターは、高速SoCパワーデザインの性能と効率を上げるための強力なツールではありますが、検証やデバッグのためのテストを困難にする原因でもあります。多様な静的負荷条件や動的な負荷ステップシナリオでのフェーズ管理の解析が必要になるからです。
アプリケーション
マルチフェーズ降圧コンバーターによる代表的なパワーデザイン測定としては、以下のものがあります。
ローデ・シュワルツのソリューション
MXO 58シリーズ オシロスコープには、合計8つのアナログチャネルがあり、帯域幅は最大2 GHz（インターリーブモード）です。R&S®MXO5-B1オプションを使用すると、8つのアナログチャネルはそのままで、新たに16のデジタルチャネルを追加できます。MXO 58は、組み込みのハードウェアアクセラレーションにより、最大捕捉レート450万波形／秒、最大FFTレート45,000回／秒という比類のない速度を実現しています。
12ビットの分解能（HDモードでは最大18ビット）との組み合わせにより、DCパワーレール上の小さい障害をきわめて正確に測定できます。
MXO 5は、強力で汎用的なデジタルトリガシステムを標準装備しており、基本的なエッジトリガに加えて、A/B/Rシーケンストリガや強力なゾーントリガといった豊富な機能を提供します。ゾーントリガを使用すれば、さまざまなソース（捕捉波形、演算波形、スペクトラム表示など）からのユーザー定義ゾーンの組み合わせでトリガすることで、特定のイベントを捕捉できます。
MXO 5Cと同様、ディスプレイなしの構成も用意されています。コンパクトな2 HU形状なので、自動テストアプリケーションでのユニットのリモート制御に最適です。
パワーレール上の摂動の測定には、R&S®RT-ZPRのような専用のパワーレール・プローブを使用するのが最適です。これは1:1のプローブなので、この測定に必要な感度を備えています。プローブにはDCメータが内蔵されているので、パワーレールのDC電圧を簡単に測定して、オフセット回路で自動的に減算することができます。これにより、MXO 5で最適な感度を利用して、パワーレール電圧の実際のDC値を表示しながら、パワーレール上の障害を正確に測定することができます。電源電流が大きいパワーデザインの場合、テストセットアップ内のグランドループのために測定誤差が生じる場合があります。R&S®RT-ZPRとPicotest J2115A 同軸アイソレーターを組み合わせることで、このようなグランドループ誤差を大幅に低減できます。
スイッチノード電圧を測定する際には、マルチフェーズ降圧コンバーターの各ステージで高い電流レベルから生じるグランドループ効果も考慮する必要があります。R&S®RT-ZDなどの差動プローブは、これらの効果を除去する効果があるので、このような測定に最適です。
R&S®RT-ZCxx 電流プローブとロゴスキーコイルを使用することで、パワー効率測定で電流を測定し、瞬時パワーを計算できます。
まとめ
MXO 5およびMXO 5Cシリーズ オシロスコープは、高速SoCパワーデザインのパワーインテグリティーの解析に最適です。最大8つのアナログチャネルと16のデジタルチャネルに、さまざまな種類のプローブを組み合わせて使用することで、ノイズ、リップル、アンダーシュート、オーバーシュートを優れた感度で正確に測定できます。比類のない測定速度と強力なトリガシステムにより、パワーレールの障害をタイムドメインと周波数ドメインで効率的に検出して、マルチフェーズ降圧コンバーターのすべてのステージのPWM信号を容易に解析できます。
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