摘要

　　對于需要數(shù)千安培大電流的應(yīng)用來說,，具有極快動態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)壓器（VR）是非常合宜的,。本文介紹基于變壓器的穩(wěn)壓器，其采用跨電感電壓調(diào)節(jié)器（TLVR）結(jié)構(gòu),，設(shè)計(jì)用于在負(fù)載瞬變期間實(shí)現(xiàn)極快響應(yīng),。采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器克服了傳統(tǒng)TLVR結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，提供很大的設(shè)計(jì)靈活性和極快的瞬態(tài)響應(yīng),，因而輸出電容和解決方案尺寸更小,，系統(tǒng)成本更低。文中提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和案例研究,，以展示采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器具備的綜合優(yōu)勢,。

　　簡介

　　如今，隨著多相穩(wěn)壓器用于為CPU,、GPU,、ASIC等各種微處理器供電，其重要性與日俱增,。近年來,，這些微處理器的功率需求一直在急劇增加，特別是在電信和一些新興應(yīng)用中,，如加密貨幣挖礦和自動駕駛系統(tǒng),。因此,，微處理器需要更高擺率的更大電流。這就要求穩(wěn)壓器在負(fù)載瞬變期間具有更快的動態(tài)響應(yīng),，以滿足輸出電壓紋波要求,。從系統(tǒng)尺寸的角度來看，極快的動態(tài)響應(yīng)可減小所需的輸出電容并縮小輸出電容的尺寸,，因而非常有吸引力,。此外，更小且更少的輸出電容有利于降低系統(tǒng)成本,。本文將介紹一種基于變壓器的穩(wěn)壓器解決方案,，它采用TLVR結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),，并大幅縮減輸出電容的尺寸和成本,。在基于變壓器的穩(wěn)壓器解決方案中引入TLVR結(jié)構(gòu)后，TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)可以很容易地解決,。

　　本文將詳細(xì)說明如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),，并通過基于實(shí)際應(yīng)用的案例研究展示其綜合優(yōu)勢。還應(yīng)注意的是,，本文中的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)目前正在申請專利,。

　　TLVR結(jié)構(gòu)能夠有效加速多相穩(wěn)壓器負(fù)載瞬變期間的動態(tài)響應(yīng)1,2,3。如圖1所示,，TLVR結(jié)構(gòu)用TLVR電感取代了傳統(tǒng)多相穩(wěn)壓器中的輸出電感,。TLVR電感可以被視為一個(gè)1:1變壓器，它具有一個(gè)初級繞組和一個(gè)次級繞組,。所有TLVR電感的耦合是通過連接所有TLVR電感的次級繞組來實(shí)現(xiàn)的,。TLVR電感副邊的電流ILC由所有不同相位的控制信號決定。由于耦合效應(yīng),，一旦穩(wěn)壓器的一個(gè)相位的占空比改變以響應(yīng)負(fù)載瞬變,，那么所有相位的輸出電流可以同時(shí)斜坡上升或下降。這就是TLVR結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)出色負(fù)載瞬變性能的原因,。

　　基于變壓器的穩(wěn)壓器

　　基于變壓器的穩(wěn)壓器一直是各種微處理器的有競爭力的電源解決方案,。基于變壓器的穩(wěn)壓器配備了降壓變壓器,，具有很高且靈活的降壓比,、簡單緊湊的結(jié)構(gòu)和高效率。與無變壓器的多相穩(wěn)壓器相比,，基于變壓器的穩(wěn)壓器允許更高的輸入電壓,，從而為簡化穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更高效率開辟了一個(gè)全新的世界。

　　圖2顯示了基于變壓器的穩(wěn)壓器的一個(gè)代表性示例的電路圖,。該穩(wěn)壓器電路具有一個(gè)降壓變壓器,，其副邊上有兩個(gè)次級繞組和一個(gè)電流倍增器結(jié)構(gòu),。可以設(shè)計(jì)更多的次級繞組來實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流和功率密度,，并且副邊上不需要額外的控制信號,。通過適當(dāng)?shù)目刂齐娐泛筒呗裕瑘D2中的多個(gè)示例穩(wěn)壓器電路可以很容易地并聯(lián)起來,，以便為各種高性能微處理器提供所需的電流,。因此，本文通篇以圖2所示的穩(wěn)壓器電路為例,。

　　圖1.（a）無TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多相穩(wěn)壓器的電路圖,，（b）采用TLVR結(jié)構(gòu)的多相穩(wěn)壓器的電路圖

　　圖2.一個(gè)基于變壓器的穩(wěn)壓器示例的電路圖

　　TLVR結(jié)構(gòu)在基于變壓器的穩(wěn)壓器中的優(yōu)勢

　　TLVR結(jié)構(gòu)可以顯著加速沒有任何降壓變壓器的穩(wěn)壓器在負(fù)載瞬變期間的動態(tài)響應(yīng)，這點(diǎn)已經(jīng)得到了很好的證明,。然而,，這種出色的動態(tài)性能伴隨著許多挑戰(zhàn)1,2,3。在沒有任何降壓變壓器的情況下,，無變壓器穩(wěn)壓器通常以低占空比工作,，TLVR電感的原邊和副邊均施加高電壓,。TLVR電感副邊的高伏秒導(dǎo)致TLVR電感副邊存在高環(huán)流,，并在穩(wěn)態(tài)工作期間產(chǎn)生額外的功率損耗。因此,，如圖1b所示,，應(yīng)添加電感LC以限制TLVR電感次級繞組中的環(huán)流1。額外的電感會進(jìn)一步增加系統(tǒng)損耗和成本,。

　　在基于變壓器的穩(wěn)壓器中引入TLVR結(jié)構(gòu)后,，TLVR結(jié)構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)可以順利化解。TLVR結(jié)構(gòu)與降壓變壓器相結(jié)合時(shí),，由于主變壓器的高降壓比,，TLVR結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)變得不那么明顯。同時(shí),，耦合效應(yīng)推動所有相位的電流在負(fù)載瞬變期間同步響應(yīng),，因此仍然可以實(shí)現(xiàn)極快的動態(tài)響應(yīng)。由于降壓變壓器,，施加到TLVR電感的電壓變得更低,，從而降低電感損耗。TLVR電感副邊所需的附加電感可以低得多,。事實(shí)上,，可以利用寄生電感來消除附加電感，這樣附加電感帶來的額外損耗和成本也就不存在,。此外,，與TLVR電感和附加電感相關(guān)的絕緣問題也不再是問題,。

　　采用靈活TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器

　　在采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器中，電路中的所有輸出電感都被TLVR電感取代,。此外,，當(dāng)在基于變壓器的穩(wěn)壓器中應(yīng)用TLVR結(jié)構(gòu)時(shí)，有兩類方案可以實(shí)現(xiàn),，這為此結(jié)構(gòu)的實(shí)施提供了很大的靈活性,。圖3以圖2所示的兩個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器模塊為例，顯示了這兩類實(shí)現(xiàn)的電路圖,。圖3a中的實(shí)現(xiàn)稱為串聯(lián)連接,，因?yàn)門LVR電感的所有次級繞組都是串聯(lián)。圖3b所示的另一種實(shí)現(xiàn)稱為串并聯(lián)連接,。在模塊1中,，L11和L12的次級繞組串聯(lián)連接，然后與串聯(lián)連接的L13和L14的次級繞組并聯(lián),。模塊1中TLVR電感次級繞組的這種連接最終與模塊2中的對應(yīng)連接串聯(lián),，如圖3b所示。類似地,，當(dāng)兩個(gè)以上的基于變壓器的穩(wěn)壓器模塊并聯(lián)連接時(shí),，可以將圖3所示的TLVR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩次。

　　設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上增強(qiáng)的靈活性并不會增加控制的復(fù)雜性,。采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器的兩種實(shí)現(xiàn)采用相同的控制方案,。這里以三個(gè)模塊并聯(lián)的基于變壓器的穩(wěn)壓器為例來介紹控制方案。在不同穩(wěn)壓器模塊的控制信號之間插入相移,。模塊1和模塊2之間插入的相移為60°,，模塊2和模塊3的控制信號之間插入60°的相移。如果有N個(gè)模塊并聯(lián),，則兩個(gè)相鄰模塊之間插入的相移為180°/N,。

　　基于所提出的控制方案，可以推導(dǎo)出施加到所有TLVR電感的電壓,。圖4總結(jié)了兩個(gè)模塊并聯(lián)的基于變壓器的穩(wěn)壓器中所有TLVR電感的電壓波形,。由于圖3中的兩種實(shí)施方式具有相同的控制信號，因此電感電壓波形也相同,。還可以觀察到,，L11和L13具有相同的電壓波形，L12和L14也是如此,。這些電感電壓波形有效地解釋了為什么圖3b中的串并聯(lián)連接是合法的,。TLVR電感副邊的電流Isec具有高頻紋波，其頻率為主降壓變壓器原邊中的MOSFET開關(guān)頻率的4倍。當(dāng)N （N > 2）個(gè)模塊并聯(lián)時(shí),，Isec的電流紋波將處于更高的頻率（2N×開關(guān)頻率）,，并且Isec的幅度可能進(jìn)一步降低。因此,，所提出的相移控制方案不僅能夠減小輸出電壓紋波,，而且可以有效抑制Isec的紋波，從而降低TLVR電感副邊的傳導(dǎo)損耗,。

　　此外,，采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器中不需要額外的電感。與額外電感相關(guān)的額外成本和損耗也就不存在,，因此系統(tǒng)的效率和成本大大受益,。由于變壓器降壓比很高（n很小）,，因此與采用TLVR結(jié)構(gòu)的無變壓器穩(wěn)壓器相比,，TLVR電感的電壓顯著降低。所以,，沒有必要在TLVR電感的副邊引入額外補(bǔ)償電感Lc來抑制電流紋波,。有關(guān)TLVR電感電壓的詳細(xì)信息可參見圖4。在這種情況下,，電路中的寄生電感和TLVR電感的漏感在TLVR電感副邊的電流（Isec）整形中起著關(guān)鍵作用,。為了進(jìn)一步提高負(fù)載瞬變期間的動態(tài)性能，降低TLVR電感副邊的漏感和寄生電感很重要,。

　　圖3.兩個(gè)并聯(lián)的采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器模塊的兩種實(shí)現(xiàn)：（a）串聯(lián)連接,，（b）串并聯(lián)連接

　　圖4.采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器模塊（兩個(gè)模塊并聯(lián)）中TLVR電感的電壓和次級電流波形

　　原型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　我們設(shè)計(jì)并構(gòu)建了采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器模塊的兩種實(shí)現(xiàn)方案,，包括串聯(lián)版本和串并聯(lián)版本,。圖5a顯示了典型TLVR電感的3D模型。構(gòu)建的模塊原型參見圖5b,。兩個(gè)版本的尺寸與無TLVR結(jié)構(gòu)的版本相同,。換句話說，無論實(shí)施串聯(lián)連接還是串并聯(lián)連接,，采用TLVR電感以實(shí)現(xiàn)TLVR結(jié)構(gòu)都不會增加穩(wěn)壓器模塊的尺寸,。

　　使用所構(gòu)建的原型成功展示了采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器的極快負(fù)載瞬變性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)置由兩個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)壓器模塊組成,，如圖5b所示,。TLVR電感的副邊沒有安裝額外電感。負(fù)載瞬變在20 A至170 A之間,，擺率為125 A/?s,。圖6所示的基線比較以串并聯(lián)版本為例，清楚地展示了采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器的出色負(fù)載瞬變響應(yīng),。為了進(jìn)行公平比較,，無TLVR結(jié)構(gòu)的情況是通過斷開TLVR電感副邊連接來實(shí)現(xiàn)的,。當(dāng)負(fù)載電流從20 A上升到170 A時(shí)，采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器可以更快速地調(diào)節(jié)輸出電壓,，峰峰值電壓紋波要低得多,。

　　經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)極快的負(fù)載瞬變響應(yīng),。詳細(xì)的瞬變波形如圖7所示,。在從20 A到170 A的相同瞬變下，得益于TLVR結(jié)構(gòu)帶來的極快響應(yīng),，峰峰值輸出電壓紋波僅為23.7 mV,。采用TLVR結(jié)構(gòu)大大加快了動態(tài)響應(yīng)，峰峰值輸出電壓紋波因此降低62%,。測得的115 kHz的高控制帶寬也證明了TLVR結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)極快的負(fù)載瞬變響應(yīng),。詳細(xì)比較總結(jié)在表1中。

　　圖5.（a） TLVR電感的3D模型,，（b）采用TLVR結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基于變壓器的穩(wěn)壓器原型在演示板上并聯(lián)

　　表1.采用TLVR結(jié)構(gòu)和無TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器的動態(tài)響應(yīng)比較

　　圖6.采用TLVR結(jié)構(gòu)和無TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬變響應(yīng)比較

　　圖7.采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器的極快負(fù)載瞬變響應(yīng)

　　案例研究

　　為了進(jìn)一步展示將基于變壓器的穩(wěn)壓器與TLVR結(jié)構(gòu)相結(jié)合的優(yōu)勢,，本節(jié)介紹一個(gè)基于變壓器的穩(wěn)壓器的案例研究，其規(guī)格要求來自實(shí)際應(yīng)用,。采用和不采用TLVR結(jié)構(gòu)的兩種基于變壓器的穩(wěn)壓器解決方案都進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和測試,，以提供0.825 V/540 A供電軌。規(guī)格和測試結(jié)果的詳情總結(jié)在表2中,。在相位裕量和增益裕量相當(dāng)?shù)那闆r下,，采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器解決方案實(shí)現(xiàn)了比不采用TLVR結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器解決方案高61%的控制帶寬。因此,，這再次證明了TLVR結(jié)構(gòu)支持極快的瞬變,，如圖8所示。峰峰值輸出電壓紋波僅為40.92 mV,，比0.825 V輸出電壓的5%還低,。

　　與不采用TLVR結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器解決方案相比，采用TLVR結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器解決方案節(jié)省了39%的輸出電容,，但仍實(shí)現(xiàn)了低得多的峰峰值電壓紋波,。因此，輸出電容數(shù)量減少27%,，導(dǎo)致系統(tǒng)解決方案尺寸大大減小,。此外，由于TLVR結(jié)構(gòu)支持極快的瞬變響應(yīng),，輸出電容的成本可以減少43%,。

　　一般來說，采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器具有極快的動態(tài)響應(yīng)，可以有效減小輸出電容,，同時(shí)在快速負(fù)載瞬變期間仍能保持低輸出電壓紋波,。另外，采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器中不需要額外的電感,。因此,，采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器解決方案不僅可以顯著減小解決方案總體尺寸，還能大幅降低解決方案成本,，尤其是輸出電容成本,。兩種可用實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)一步帶來了很大的靈活性，同時(shí)控制復(fù)雜性并未增加,。

　　圖8.采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器在150 A至350 A負(fù)載瞬變下的極快負(fù)載瞬變響應(yīng)（三個(gè)穩(wěn)壓器模塊并聯(lián)）

　　表2.基于變壓器的穩(wěn)壓器解決方案案例研究,，規(guī)格來自客戶

　　結(jié)語

　　在廣泛的應(yīng)用中，微處理器消耗更高擺率的更大電流,，因此微處理器的穩(wěn)壓器解決方案需要具有更快的動態(tài)響應(yīng),。本文介紹了采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器，它能在微處理器的負(fù)載瞬變期間實(shí)現(xiàn)極快的動態(tài)響應(yīng),。通過將基于變壓器的穩(wěn)壓器與TLVR結(jié)構(gòu)相結(jié)合,，由于主變壓器的降壓比很大，TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)可以很容易地解決,。TLVR電感的過大損耗可以顯著降低,，并且不需要額外的補(bǔ)償電感，因而損耗和成本更低,。此外,，當(dāng)在基于變壓器的穩(wěn)壓器中實(shí)現(xiàn)TLVR結(jié)構(gòu)時(shí)，有兩類方案可以采用,，這為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了很大的靈活性,。這兩種實(shí)現(xiàn)方案可以使用相同的控制方案來控制許多并聯(lián)的穩(wěn)壓器模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,，與無TLVR結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器相比,，這兩種實(shí)現(xiàn)方案都能實(shí)現(xiàn)極快的負(fù)載瞬變響應(yīng)，控制帶寬高2.56倍,，峰峰值電壓紋波低62%。一個(gè)詳細(xì)的案例研究進(jìn)一步展示了采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的穩(wěn)壓器在解決方案尺寸和成本方面的綜合優(yōu)勢,。

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