基于變壓器的穩(wěn)壓器，具有靈活的TLVR結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

Xingxuan Huang, Xinyu Liang, and Chuan Shi

在穩(wěn)壓器（VR）中，對(duì)于需要高達(dá)數(shù)千安培的高電流的各種應(yīng)用，非常需要極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本文介紹了基于變壓器的VR，其跨電感穩(wěn)壓器（TLVR）結(jié)構(gòu)旨在實(shí)現(xiàn)負(fù)載瞬變期間的極快響應(yīng)?；谧儔浩鞯腣R采用TLVR結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)TLVR結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，具有極大的設(shè)計(jì)靈活性和極快的瞬態(tài)響應(yīng)，從而減小了輸出電容和解決方案尺寸，并降低了系統(tǒng)成本。提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和案例研究，以證明基于變壓器的TLVR結(jié)構(gòu)VR的綜合優(yōu)勢(shì)。

介紹

如今，多相VR發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)樗鼈冇糜跒楦鞣N微處理器（如CPU，GPU和ASIC）供電。近年來(lái)，這些微處理器的電力需求急劇增加，特別是在電信和一些新興應(yīng)用中，如加密采礦和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。因此，微處理器需要更高的電流和更高的壓擺率。因此，VR需要在負(fù)載瞬變期間具有更快的動(dòng)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(lái)看，極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)于降低所需的輸出電容和縮小輸出電容器的尺寸非常有吸引力。此外，更小的輸出電容和更少的輸出電容有利于系統(tǒng)成本。本文將介紹一種基于變壓器的VR解決方案，該解決方案采用TLVR結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，并大幅縮小輸出電容器的尺寸和成本。在基于變壓器的VR解決方案中引入TLVR結(jié)構(gòu)時(shí)，可以輕松解決TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。

將提供設(shè)計(jì)和實(shí)施細(xì)節(jié)，并通過(guò)基于實(shí)際應(yīng)用的案例研究來(lái)展示綜合效益。還應(yīng)該注意的是，本文中的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)目前正在申請(qǐng)專利。

TLVR結(jié)構(gòu)是加速多相VR負(fù)載瞬變期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)的有效實(shí)現(xiàn)。1,2,3如圖1所示，TLVR結(jié)構(gòu)利用TLVR電感器取代傳統(tǒng)多相VR中的輸出電感器。TLVR電感器可以看作是具有初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的1：1變壓器。所有TLVR電感器的耦合是通過(guò)連接所有TLVR電感器的次級(jí)繞組來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TLVR電感器次級(jí)側(cè)的電流，I立法會(huì)，由所有不同相位的控制信號(hào)決定。由于耦合效應(yīng)，一旦VR的一個(gè)相位的占空比發(fā)生變化以響應(yīng)負(fù)載瞬變，所有相位的輸出電流就可以同時(shí)上升或下降。這就是為什么TLVR結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)出色的負(fù)載瞬態(tài)性能。

基于變壓器的 VR

基于變壓器的VR一直是各種微處理器的競(jìng)爭(zhēng)性電源解決方案?；谧儔浩鞯腣R配備降壓變壓器，具有降壓比高而靈活的功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，效率高。與無(wú)變壓器多相VR相比，基于變壓器的VR允許更高的輸入電壓，從而為簡(jiǎn)化VR設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更高的效率打開(kāi)了一個(gè)全新的世界。

圖2顯示了基于變壓器的VR的一個(gè)代表性示例的電路圖。VR電路具有一個(gè)帶兩個(gè)次級(jí)繞組的降壓變壓器，次級(jí)側(cè)具有倍流器結(jié)構(gòu)。可以設(shè)計(jì)更多的次級(jí)繞組以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流和功率密度，并且次級(jí)側(cè)不需要額外的控制信號(hào)。通過(guò)適當(dāng)?shù)?a href="http://ttokpm.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路和策略，圖2中的多個(gè)示例VR電路可以很容易地并聯(lián)，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VR電路為例。

圖1.（a） 沒(méi)有TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多相VR的電路圖和（b）具有TLVR結(jié)構(gòu)的多相VR的電路圖。

圖2.一個(gè)基于變壓器的VR示例的電路圖。

TLVR結(jié)構(gòu)在基于變壓器的VR中的優(yōu)勢(shì)

結(jié)果表明，TLVR結(jié)構(gòu)在負(fù)載瞬變期間無(wú)需降壓變壓器即可顯著加快VR的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。然而，這種卓越的動(dòng)態(tài)性能伴隨著許多挑戰(zhàn)。1,2,3在沒(méi)有任何降壓變壓器的情況下，這些無(wú)變壓器VR通常在TLVR電感器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)均以低占空比和高電壓運(yùn)行。TLVR電感器次級(jí)側(cè)的高電壓秒會(huì)導(dǎo)致TLVR電感器次級(jí)側(cè)的高環(huán)流，并在穩(wěn)態(tài)操作期間增加功率損耗。因此，如圖1b所示，增加了一個(gè)電感Lc應(yīng)添加以限制TLVR電感器次級(jí)繞組中的環(huán)流。1額外的電感進(jìn)一步增加了系統(tǒng)損耗和成本。

在基于變壓器的VR中引入TLVR結(jié)構(gòu)時(shí)，可以順利解決TLVR結(jié)構(gòu)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。通過(guò)將TLVR結(jié)構(gòu)與降壓變壓器相結(jié)合，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)，由于耦合效應(yīng)推動(dòng)所有相的電流在負(fù)載瞬變期間同時(shí)響應(yīng)，仍然可以實(shí)現(xiàn)極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于采用了降壓變壓器，施加到TLVR電感器的電壓變得低得多，從而降低了電感損耗。TLVR電感器次級(jí)側(cè)所需的附加電感的電感可以低得多。實(shí)際上，通過(guò)利用寄生電感，可以消除額外的電感，以及電感帶來(lái)的額外損耗和成本。此外，與TLVR電感器和附加電感相關(guān)的絕緣問(wèn)題不再是問(wèn)題。

基于變壓器的VR，具有靈活的TLVR結(jié)構(gòu)

在采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR中，電路中的所有輸出電感器都由TLVR電感器取代。此外，在基于變壓器的VR中應(yīng)用TLVR結(jié)構(gòu)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)兩種類型的實(shí)現(xiàn)，這在實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)時(shí)提供了極大的靈活性。圖3以圖2所示的兩個(gè)并聯(lián)VR模塊為例，顯示了兩種實(shí)現(xiàn)方式的電路圖。圖3a中的實(shí)現(xiàn)稱為串聯(lián)連接，因?yàn)門LVR電感器的所有次級(jí)繞組都是串聯(lián)連接的。圖3b所示的其他實(shí)現(xiàn)稱為串并聯(lián)連接。在模塊1中，L11和L12的次級(jí)繞組先串聯(lián)連接，然后再與L13和L14次級(jí)繞組的串聯(lián)連接并聯(lián)。模塊1中TLVR電感器的次級(jí)繞組的這種連接最終與模塊2中的對(duì)應(yīng)連接串聯(lián)，如圖3b所示。同樣，當(dāng)兩個(gè)以上基于變壓器的VR模塊并聯(lián)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)圖3中TLVR結(jié)構(gòu)的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)和實(shí)施靈活性的增強(qiáng)不會(huì)增加控制復(fù)雜性?；谧儔浩鞯腡LVR結(jié)構(gòu)VR的兩種實(shí)現(xiàn)應(yīng)用了相同的控制方案。本文以基于變壓器的三個(gè)模塊并聯(lián)的VR控制方案為例進(jìn)行介紹。在不同VR模塊的控制信號(hào)之間插入相移。模塊 1 和模塊 2 之間插入的相移為 60°，模塊 60 和模塊 2 的控制信號(hào)之間插入的相移為 3°。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電感器的電壓。圖4總結(jié)了基于變壓器的VR中所有TLVR電感器的電壓波形，其中兩個(gè)模塊并聯(lián)連接。由于圖3中的兩種實(shí)現(xiàn)方式具有相同的控制信號(hào)，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電感器次級(jí)側(cè)的電流，I秒，在主降壓變壓器初級(jí)側(cè)的 MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率為 4× 時(shí)具有高頻紋波。用N（N>2）個(gè)模塊并聯(lián)連接，電流紋波為I秒將在更高的頻率（×開(kāi)關(guān)頻率2N），幅度為I秒可以進(jìn)一步減少。因此，所提出的相移控制方案不僅可以降低輸出電壓紋波，而且可以有效抑制I的紋波。秒，從而降低TLVR電感器次級(jí)側(cè)的傳導(dǎo)損耗。

此外，在采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR中不需要額外的電感器。此外，還消除了附加電感帶來(lái)的額外成本和損耗，這大大有利于系統(tǒng)的效率和成本。由于變壓器降壓比高（小n），與采用TLVR結(jié)構(gòu)的無(wú)變壓器VR相比，TLVR電感器的電壓大大降低。因此，無(wú)需引入額外的補(bǔ)償電感器Lc在TLVR電感器的次級(jí)側(cè)，以抑制電流紋波。有關(guān)TLVR電感電壓的詳細(xì)信息如圖4所示。在這種情況下，電路中的寄生電感和TLVR電感的漏感在整形TLVR電感器次級(jí)側(cè)的電流中起著關(guān)鍵作用，I秒.為了進(jìn)一步改善負(fù)載瞬變期間的動(dòng)態(tài)性能，降低TLVR電感器次級(jí)側(cè)的漏感和寄生電感非常重要。

圖3.兩個(gè)具有TLVR結(jié)構(gòu)的基于并聯(lián)變壓器的VR模塊的兩種實(shí)現(xiàn)：（a）串聯(lián)連接和（b）串并聯(lián)連接。

圖4.基于變壓器的TLVR結(jié)構(gòu)VR模塊（兩個(gè)模塊并聯(lián)）中TLVR電感器的電壓和次級(jí)電流波形。

原型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于變壓器的TLVR結(jié)構(gòu)VR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電感器的3D模型。構(gòu)建的模塊原型如圖 5b 所示。兩個(gè)版本都具有與沒(méi)有TLVR結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)版本相同的大小。換句話說(shuō)，采用TLVR電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)TLVR結(jié)構(gòu)，無(wú)論實(shí)現(xiàn)串聯(lián)還是串并聯(lián)連接，都不會(huì)增加VR模塊尺寸。

基于變壓器的TLVR結(jié)構(gòu)VR的極快負(fù)載瞬態(tài)性能已經(jīng)通過(guò)構(gòu)建的原型成功證明。實(shí)驗(yàn)設(shè)置由兩個(gè)并行運(yùn)行的VR模塊組成，如圖5b所示。TLVR電感器的次級(jí)側(cè)沒(méi)有安裝額外的電感器。負(fù)載瞬態(tài)介于20 A至170 A之間，壓擺率為125 A/μs?；谧儔浩鞯腡LVR結(jié)構(gòu)VR的出色負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)在圖6所示的基線比較中得到了清晰的說(shuō)明，其中以串并聯(lián)版本為例。為了進(jìn)行公平的比較，沒(méi)有TLVR結(jié)構(gòu)的情況是通過(guò)斷開(kāi)TLVR電感器次級(jí)側(cè)的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)負(fù)載電流從20 A上升到170 A時(shí)，基于變壓器的TLVR結(jié)構(gòu)VR可以更快地調(diào)節(jié)輸出電壓，峰峰值電壓紋波要低得多。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)后，在基于變壓器的TLVR結(jié)構(gòu)VR中實(shí)現(xiàn)了極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。詳細(xì)的瞬態(tài)波形如圖7所示。在20 A至170 A的相同瞬態(tài)下，峰峰值輸出電壓紋波僅為23.7 mV，這要?dú)w功于TLVR結(jié)構(gòu)帶來(lái)的極快響應(yīng)。采用TLVR結(jié)構(gòu)可顯著加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而將峰峰值輸出電壓紋波降低62%。測(cè)得的115 kHz高控制帶寬也證明了TLVR結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。表1總結(jié)了詳細(xì)的比較。

圖5.（a） TLVR 電感器的 3D 模型和 （b） 兩個(gè)基于變壓器的 VR 原型，在演示板上并聯(lián) TLVR 結(jié)構(gòu)。

圖6.基于變壓器的VR的TLVR結(jié)構(gòu)和無(wú)TLVR結(jié)構(gòu)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較。

圖7.基于變壓器的VR具有TLVR結(jié)構(gòu)的極快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

個(gè)案研究

為了進(jìn)一步展示基于變壓器的VR與TLVR結(jié)構(gòu)相結(jié)合的好處，本節(jié)介紹了基于實(shí)際應(yīng)用規(guī)范的基于變壓器的VR的案例研究。兩種基于變壓器的VR解決方案（帶和不帶TLVR結(jié)構(gòu)）都經(jīng)過(guò)實(shí)施和測(cè)試，可提供0.825 V/540 A電源軌。規(guī)格和測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)信息總結(jié)在表2中。基于變壓器的TLVR結(jié)構(gòu)VR解決方案具有相當(dāng)?shù)南辔辉Ａ亢驮鲆嬖Ａ?，其控制帶寬比不采用TLVR結(jié)構(gòu)的VR解決方案高61%。因此，再次演示了TLVR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的極快瞬態(tài)，如圖8所示。峰峰值輸出電壓紋波僅為40.92 mV，低于5.0 V輸出電壓的825%。

在節(jié)省39%的輸出電容的情況下，與沒(méi)有TLVR結(jié)構(gòu)的VR解決方案相比，采用TLVR結(jié)構(gòu)的VR解決方案仍實(shí)現(xiàn)了低得多的峰峰值電壓紋波。因此，輸出電容的數(shù)量減少了27%，從而大大減小了系統(tǒng)解決方案的尺寸。此外，由于TLVR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了極快的瞬態(tài)響應(yīng)，輸出電容器的成本可以降低43%。

通常，基于變壓器的具有TLVR結(jié)構(gòu)的VR具有極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以有效降低輸出電容，同時(shí)在快速負(fù)載瞬變期間仍保持低輸出電壓紋波。此外，在采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR中不需要額外的電感器。因此，基于變壓器的TLVR結(jié)構(gòu)VR解決方案不僅可以顯著減小整體解決方案尺寸，還可以大幅降低解決方案成本，尤其是輸出電容器的成本。兩種可用的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)一步帶來(lái)了極大的靈活性，同時(shí)控制復(fù)雜性不會(huì)增加。

圖8.基于變壓器的 VR 的極快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，具有 TLVR 結(jié)構(gòu)，負(fù)載瞬態(tài)為 150 A 至 350 A（三個(gè) VR 模塊并聯(lián)）。

總結(jié)

微處理器的VR解決方案需要具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因?yàn)槲⑻幚砥髟趶V泛的應(yīng)用中消耗更高的電流和更高的壓擺率。本文介紹了基于變壓器的具有TLVR結(jié)構(gòu)的VR，以實(shí)現(xiàn)微處理器負(fù)載瞬變期間的極快動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過(guò)將基于變壓器的VR與TLVR結(jié)構(gòu)相結(jié)合，由于主變壓器的降壓比大，可以輕松解決TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。TLVR電感的過(guò)度損耗可以顯著降低，并且不需要額外的補(bǔ)償電感，從而降低損耗和成本。此外，在基于變壓器的VR中實(shí)現(xiàn)TLVR結(jié)構(gòu)時(shí)，可以采用兩種類型的實(shí)現(xiàn)方式，這在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上提供了極大的靈活性。兩種實(shí)現(xiàn)都可以覆蓋多個(gè)VR模塊，并具有相同的控制方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與無(wú)TLVR結(jié)構(gòu)的同類方案相比，兩種方案都能實(shí)現(xiàn)極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，控制帶寬為2.56×峰電壓紋波降低62%。詳細(xì)的案例研究進(jìn)一步展示了基于變壓器的具有TLVR結(jié)構(gòu)的VR在解決方案尺寸和成本方面的綜合優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：郭婷