【導(dǎo)讀】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1:1變壓器，它具有一個初級繞組和一個次級繞組。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?；谧儔浩鞯姆€(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全新的世界。
圖2顯示了基于變壓器的穩(wěn)壓器的一個代表性示例的電路圖。該穩(wěn)壓器電路具有一個降壓變壓器，其副邊上有兩個次級繞組和一個電流倍增器結(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個模塊并聯(lián)，則兩個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?。?，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/μs。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。
參考電路
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2 Ming Xu、Yucheng Ying、Qiang Li和Fred C. Lee。 “新型耦合電感多相穩(wěn)壓器” 。IEEE APEC，2007年2月。
3 Shreyankh Krishnamurthy、David Wiest和Yosef Zhou。 “跨電感電壓調(diào)節(jié)器(TLVR)：電路運(yùn)行、功率磁結(jié)構(gòu)、效率和成本的權(quán)衡” 。PCIM Europe，2022年5月。
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