摘要

　　最近推出的跨電感電壓調(diào)節(jié)器（TLVR）在多相DC-DC應(yīng)用中頗受歡迎，這些應(yīng)用為CPU,、GPU和ASIC等低壓大電流負(fù)載供電,。這一趨勢(shì)主要基于該技術(shù)出色的瞬態(tài)性能。TLVR還支持靈活的設(shè)計(jì)和布局,，但有幾個(gè)缺點(diǎn),。本文闡述了TLVR設(shè)計(jì)選擇如何影響性能參數(shù)，并討論了相關(guān)權(quán)衡,。

　　TLVR降壓器中的電流紋波和瞬態(tài)

　　對(duì)于許多高電流應(yīng)用而言,，多相降壓轉(zhuǎn)換器的任何改進(jìn)都有意義。瞬態(tài)性能改進(jìn)尤其值得關(guān)注,，因?yàn)樵S多CPU,、GPU和ASIC現(xiàn)在都有非常嚴(yán)格的瞬態(tài)規(guī)格，而高效率對(duì)于節(jié)能和熱性能也至關(guān)重要,。

　　電感中的電流紋波是影響設(shè)計(jì)選擇的重要參數(shù)：它影響效率和輸出電壓紋波,，并間接關(guān)系到瞬態(tài)性能、解決方案尺寸和其他性能指標(biāo),。另一個(gè)關(guān)鍵特性是瞬態(tài)條件下的電流擺率,，這是瞬態(tài)性能的基本限制因素。通常,，電流紋波（以及效率）和瞬態(tài)性能（直接影響輸出電容大小等因素）導(dǎo)致設(shè)計(jì)決策需要權(quán)衡,。

　　采用分立電感（DL）的傳統(tǒng)多相降壓轉(zhuǎn)換器如圖1a所示。為了實(shí)現(xiàn)較理想的波形交錯(cuò),，假定所有相位之間都具有適當(dāng)?shù)南嘁?。一種替代方案是用耦合電感（CL）代替DL，如圖1b所示,。^1-3,5另一種替代方案如圖1c所示，稱為TLVR,，其中調(diào)諧電感L_c會(huì)影響電流紋波和瞬態(tài)性能,。^4,6,7,10TLVR方法的原理是向分立電感添加次級(jí)繞組，并通過(guò)次級(jí)繞組的電氣連接來(lái)鏈接相位,。這種設(shè)計(jì)思路類似于耦合電感：對(duì)所有鏈接相位之間的交流波形進(jìn)行平均,，以在特定瞬態(tài)擺率下獲得更好的電流紋波，但TLVR的有效耦合電感是有限的,，因?yàn)楸仨毧紤]全部相電流,。TLVR的缺點(diǎn)是TLVR變壓器不能傳送電流的直流部分，因此直流電不會(huì)像在磁耦合電感中那樣在相位之間抵消掉,。本文將重點(diǎn)介紹TLVR的更多細(xì)節(jié)和特定權(quán)衡,；由于論文篇幅限制，這些內(nèi)容未包含在之前的研究中。⁹

　　圖1.多相降壓轉(zhuǎn)換器,，分別采用（a）分立電感（DL）,、（b）耦合電感（CL）和（c） TLVR

　　TLVR中紋波和電流擺率的第一個(gè)數(shù)學(xué)模型及方程可能已出現(xiàn)在相關(guān)文獻(xiàn)中。⁷雖然這是一個(gè)非常有用的數(shù)學(xué)模型,，適用于任何電路條件（任何占空比D = V_o/V_IN或多個(gè)相位N_ph等）,，但它有一些局限性。例如,，低L_c值（圖1c中的調(diào)諧電感）會(huì)導(dǎo)致誤差增加,，當(dāng)L_c = 0時(shí)，誤差變得無(wú)窮大，等等。低L_c值的極端情況比L_c = 開路的極端情況更重要,，因?yàn)槭褂肨LVR的主要原因是改善瞬態(tài)性能,，這意味著L_c值相當(dāng)?shù)汀?/p>

　　此外還給出了更準(zhǔn)確的TLVR推導(dǎo)，通過(guò)指定適當(dāng)?shù)腣x狀態(tài),，推導(dǎo)出的方程可以得出穩(wěn)態(tài)（對(duì)于電流紋波）或瞬態(tài)下的電流擺率。¹⁰該推導(dǎo)是針對(duì)更準(zhǔn)確的等效TLVR原理圖（圖2）進(jìn)行的。此模型與任何極端情況下的仿真都具有極好的相關(guān)性,，但穩(wěn)態(tài)下的電流擺率僅對(duì)D < 1/N_ph范圍有效。后者是可以接受的,，因?yàn)橐呀?jīng)證明,，恰好在D < 1/N_ph區(qū)域，TLVR具有相對(duì)于DL基線的最大電流紋波增量,，并且當(dāng)N_ph足夠高時(shí),，其接近DL紋波。^9,10

　　圖2.TLVR模型¹⁰

　　通常,，TLVR值在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的顯示方式與分立電感DL相同,，從中可推導(dǎo)出TLVR。圖2中的模型假設(shè)TLVR總值或自感被分成兩部分：一個(gè)是通常較小的L_k,，其余部分實(shí)際上成為TLVR變壓器的互感L_m = TLVR-L_k（方程1）,。

　　基于圖2中的模型，TLVR中的電流擺率可用方程2表示,，其中L_k是主繞組和輔助繞組之間的TLVR漏感,。V_x1電壓分配給目標(biāo)相位，而所有其他Vx節(jié)點(diǎn)均假定具有相同電壓（V_IN或0）,。相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓V_y1如方程3所示,。強(qiáng)制V_x1 = V_x，并將這些電壓指定為V_IN（斜坡上升）或0（斜坡下降）,，便可使用方程2直接計(jì)算TLVR中的最大瞬態(tài)擺率,。此外,，方程2中的電流擺率可用于方程4中的穩(wěn)態(tài)紋波計(jì)算，其中V_x1 = V_IN,，所有其他開關(guān)節(jié)點(diǎn)均為V_x = 0,。不過(guò)，方程4僅對(duì)D < 1/N_ph有效,，因?yàn)樗僭O(shè)全部導(dǎo)通時(shí)間D/Fs內(nèi)具有單一且相同的擺率,。

　　如文獻(xiàn)所述，品質(zhì)因數(shù)（FOM）是反映系統(tǒng)性能的一個(gè)良好指標(biāo),，最大化FOM通常是實(shí)現(xiàn)理想權(quán)衡的正確方向,。^9,10但請(qǐng)注意，高FOM本身并不能確保特定應(yīng)用規(guī)格中的每個(gè)參數(shù)都得到滿足,，高FOM僅是良好設(shè)計(jì)的一個(gè)指標(biāo),。FOM的定義如方程5所示，這對(duì)于D<1/N_ph范圍是合適的,，我們可以用方程6來(lái)表示TLVR FOM,。

　　為了進(jìn)行比較，我們將使用CL方程（此處未顯示）,，但重點(diǎn)關(guān)注TLVR性能和權(quán)衡,。^5,10我們還將使用陷波耦合電感（NCL）結(jié)構(gòu)作為基準(zhǔn)，與尺寸和大小兼容的特定TLVR = 150 nH解決方案進(jìn)行比較,。¹⁰

　　TLVR權(quán)衡

　　圖3顯示了基于12 V至1.8 V 6相設(shè)計(jì)的關(guān)鍵TLVR性能參數(shù)與調(diào)諧電感L_c的關(guān)系（電流紋波的F_s = 300 kHz）,。TLVR = 150 nH是給定尺寸下勉強(qiáng)滿足I_sat/ph規(guī)格的最大可能值，因此它能充分有效地減小TLVR紋波并提高效率,。此外還繪制出DL = 150 nH,，作為TLVR = 150 nH的基線，以及NCL = 6× 25 nH （L_m = 375 nH）參數(shù)以供比較,。圖3中所有TLVR曲線上都突出顯示了實(shí)際設(shè)計(jì)點(diǎn)L_c = 120 nH,。

　　內(nèi)容中需要考慮TLVR參數(shù)的變化：圖3顯示了（a） FOM，（b）電流瞬態(tài)擺率和（c）電流紋波與L_c的關(guān)系,，水平刻度相同,。請(qǐng)注意，隨著L_c增加,，所有TLVR曲線都漸近地接近DL性能。TLVR的FOM隨著L_c值的降低而提高,，因?yàn)樗矐B(tài)擺率大幅提高,，但代價(jià)是電流紋波進(jìn)一步增加（DL基線的紋波已經(jīng)相當(dāng)大），參見圖3c,。將具有隔離功能的次級(jí)繞組添加到初始DL時(shí),，鐵氧體會(huì)減少,，但TLVR FOM繪圖未考慮這一點(diǎn)。正如預(yù)期的那樣,，TLVR紋波始終大于DL基線^8-10,。

　　圖3.TLVR權(quán)衡與Lc的關(guān)系：（a） FOM，（b） 電流擺率（向上）,，（c） 電流紋波,。其中突出顯示了實(shí)際設(shè)計(jì)點(diǎn)L_c = 120 nH。12 V至1.8 V,，6相,，F(xiàn)_s = 300 kHz。

　　圖4顯示了FOM,、瞬態(tài)擺率和電流紋波與TLVR值（實(shí)際上是Lm）的關(guān)系,。值得注意的是，在繪制數(shù)學(xué)曲線時(shí),，TLVR的I_sat規(guī)格是每相的全部I_sat（在測(cè)試解決方案中,，對(duì)于TLVR = 150 nH，I_sat = 65 A）,，而對(duì)于NCL的Lm,，I_sat明顯較低（對(duì)于必須承受相間電流不平衡的L_m = 375 nH，保守I_sat = 25 A）,。因此,，在相同給定尺寸的測(cè)試解決方案中，高于150 nH的TLVR曲線和高于375 nH的NCL曲線僅有理論意義（需要更大的尺寸來(lái)擴(kuò)展這些值）,。由于TLVR和CL的電氣模型相似,，并且與L_m的函數(shù)關(guān)系的相關(guān)曲線可能彼此接近，因此關(guān)鍵的一點(diǎn)是,，對(duì)于TLVR和CL,，給定空間中互感受到的限制大不相同¹⁰。這為同一特定體積中的TLVR和NCL提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的比較角度,。

　　圖4.TLVR權(quán)衡與TLVR值（L_m）的關(guān)系：（a） FOM,，（b） 電流擺率（向上），（c） 電流紋波,。L_c = 120 nH,，標(biāo)出了給定尺寸下TLVR = 150 nH和L_m = 375 nH（對(duì)于NCL）的最大值。12 V至1.8 V,，6相,，F(xiàn)_s = 300 kHz。

　　正如預(yù)期的那樣,，對(duì)于TLVR和NCL,，L_m 增加都會(huì)導(dǎo)致耦合系數(shù)和FOM變大,，如圖4a所示。¹⁰瞬態(tài)擺率一般由NCL中的漏感L_k和TLVR中的調(diào)諧電感L_c定義,，而不是由L_m定義,，因此圖4b中的曲線大部分是平坦的。然而,，當(dāng)TLVR值（有效L_m）變得過(guò)小時(shí),，并聯(lián)L_c實(shí)際上會(huì)短路，瞬態(tài)擺率迅速增加,。

　　圖4c證實(shí),，對(duì)于TLVR和NCL，增加L_m非常有利于減小電流紋波（但L_m增加不會(huì)降低瞬態(tài)性能,，參見圖4b）,。TLVR和NCL的電流紋波與L_m的關(guān)系曲線非常相似，這是因?yàn)槎叩碾姎饽Ｐ拖嗨?，但Lm值的限制因素卻截然不同,。¹⁰當(dāng)然，大部分差異來(lái)自于給定尺寸下L_m所需的I_sat額定值,，因此NCL的電流紋波比相關(guān)TLVR小得多,。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　NCL設(shè)計(jì)為適合相同的TLVR尺寸，并且還匹配TLVR解決方案的所有其他外部尺寸,。¹⁰圖5顯示了同一電路板上的兩個(gè)測(cè)試解決方案（NCL不需要L_c）,。

　　正如根據(jù)擺率值所預(yù)期的那樣，TLVR和NCL都是非?？斓慕鉀Q方案（圖3b和圖4b）,。我們特意驗(yàn)證了瞬態(tài)性能相同的情況，即使將F_s降低至300 kHz,，仍然不會(huì)導(dǎo)致相位相互耦合的6相解決方案中出現(xiàn)反饋帶寬限制,。⁸

　　由于NCL的FOM明顯高于TLVR（圖3a），因此匹配瞬態(tài)性能導(dǎo)致NCL的電流紋波只有TLVR的大約1/2.6,。圖6顯示了相應(yīng)的效率比較結(jié)果,，其中TLVR性能受到大電流紋波峰峰值的挑戰(zhàn)。

　　由于CL（尤其是NCL）的漏感通常遠(yuǎn)低于TLVR值,，因此預(yù)計(jì)CL和NCL的每相電流能力也高得多：TLVR = 150 nH示例中Isat = 65 A（每相）,，而相同體積中的NCL = 6× 25 nH顯示I_sat > 300 A（每相）。

　　圖5.同一電路板上的解決方案：（a） TLVR和（b） NCL

　　圖6.同一電路板上6相12 V至1.8 V解決方案的效率與Io的關(guān)系：（a） TLVR和（b） NCL

　　結(jié)論

　　TLVR的FOM一般約為2,，從這個(gè)角度來(lái)看,，它相對(duì)于FOM = 1的分立電感基線有所改進(jìn)。其優(yōu)勢(shì)在于,，與電流紋波增加相比,，TLVR改善瞬態(tài)性能的速度更快。然而,，TLVR只能改善瞬態(tài),，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些弊端。例如,，由于相位之間的鏈接以及較低的有效磁化電感和L_c,，TLVR電流紋波總是高于相同值DL情況的電流紋波。這會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生不利影響,，特別是考慮到添加具有高壓隔離功能的次級(jí)繞組時(shí)鐵氧體橫截面會(huì)減小,。本文未考慮鐵氧體損失所導(dǎo)致的額外電感值損失（假設(shè)I_sat與原始DL相同）。串聯(lián)的次級(jí)TLVR繞組也會(huì)造成潛在的高壓?jiǎn)栴},，并且通常會(huì)導(dǎo)致磁元件的成本增加,。⁸

　　TLVR的瞬態(tài)電流擺率通常由L_c設(shè)置，但如果L_m足夠低：那么L_m實(shí)際上會(huì)使L_c短路,，使得瞬態(tài)性能更快,，但這會(huì)產(chǎn)生非常大的電流紋波，導(dǎo)致效率受損,。

　　一般來(lái)說(shuō),，TLVR的行為類似于耦合電感，但TLVR的全電流額定值會(huì)限制有效L_m,，使其表現(xiàn)明顯不佳,。在相同的體積下，由于L_m通常要高出幾倍,，因此CL或NCL可以實(shí)現(xiàn)高得多的FOM和性能,。因此，在所考慮的例子中,，NCL顯示出高得多的效率,，同時(shí)瞬態(tài)性能相比TLVR也有所改善，¹⁰但卻不存在TLVR方法的成本影響或高壓?jiǎn)栴},。

　　NCL與TLVR相比,，每相I_sat電流能力顯著提高，這是一個(gè)額外的好處（上例中差異大于4.5倍）,。

　　參考文獻(xiàn)

　　¹ Aaron M. Schultz和Charles R. Sullivan,。“帶耦合感應(yīng)繞組的電壓轉(zhuǎn)換器及相關(guān)方法,?！泵绹?guó)專利6,362,986，2001年3月,。

　　² Jieli Li,?！癉C-DC轉(zhuǎn)換器中的耦合電感設(shè)計(jì)?！贝T士論文,，2001年，達(dá)特茅斯學(xué)院,。

　　³ Pit-Leong Wong,、Peng Xu、P. Yang和Fred C. Lee,?！安捎民詈想姼械慕诲e(cuò)VRM的性能改進(jìn)?！薄禝EEE電源電子會(huì)刊》,，第16卷第4期，2001年7月,。

　　⁴ Ming Xu,、Yucheng Ying、Qiang Li和Fred C. Lee,?！靶滦婉詈想姼卸嘞喾€(wěn)壓器?！盜EEE,，2007年。

　　⁵ Alexandr Ikriannikov,?！榜詈想姼械幕A(chǔ)知識(shí)和優(yōu)勢(shì)?！?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/ADI" target="_blank">ADI公司,，2021年。

　　⁶ S. Jiang,、X. Li,、M. Yazdani和C. Chung?！巴苿?dòng)48 V技術(shù)創(chuàng)新——混合轉(zhuǎn)換器和跨電感電壓調(diào)節(jié)器（TLVR）,。”IEEE,，2020年,。

　　7 “帶TLVR輸出濾波器的多相降壓轉(zhuǎn)換器。”Infineon Technologies,，2021年2月,。

　　⁸ Alexandr Ikriannikov?！癟LVR高壓注意事項(xiàng),。”電源系統(tǒng)設(shè)計(jì),，2021年。

　　⁹ Alexandr Ikriannikov,?！岸嘞郉C-DC應(yīng)用中磁元件的演變和比較?！盜EEE,，2023年3月。

　　¹⁰ Alexandr Ikriannikov和Di Yao,?！安捎枚嘞啻旁霓D(zhuǎn)換器：TLVR與CL和新穎優(yōu)化結(jié)構(gòu)之比較?！盤CIM Europe,，2023年5月。

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