[导读]比来推出的跨电感电压调理器(TLVR)在多相DC-DC利用中颇受接待，这些利用为CPU、GPU和ASIC等低压年夜电流负载供电。这一趋向首要基在该手艺超卓的瞬态机能。TLVR还撑持矫捷的设计和结构，但有几个错误谬误。本文论述了TLVR设计选择若何影响机能参数，并会商了相干衡量。 比来推出的跨电感电压调理器(TLVR)在多相DC-DC利用中颇受接待，这些利用为CPU、GPU和ASIC等低压年夜电流负载供电。这一趋向首要基在该手艺超卓的瞬态机能。TLVR还撑持矫捷的设计和结构，但有几个错误谬误。本文论述了TLVR设计选择若何影响机能参数，并会商了相干衡量。 TLVR降压器中的电流纹波和瞬态 对很多高电流利用而言，多相降压转换器的任何改良都成心义。瞬态机能改良特别值得存眷，由于很多CPU、GPU和ASIC此刻都有很是严酷的瞬态规格，而高效力对节能和热机能也相当主要。 电感中的电流纹波是影响设计选择的主要参数：它影响效力和输出电压纹波，并间接关系到瞬态机能、解决方案尺寸和其他机能指标。另外一个要害特征是瞬态前提下的电流摆率，这是瞬态机能的根基限制身分。凡是，电流纹波（和效力）和瞬态机能（直接影响输出电容巨细等身分）致使设计决议计划需要衡量。 采取分立电感(DL)的传统多相降压转换器如图1a所示。为了实现较抱负的波形交织，假定所有相位之间都具有恰当的相移。一种替换方案是用耦合电感(CL)取代DL，如图1b所示。1-3,5另外一种替换方案如图1c所示，称为TLVR，此中调谐电感Lc会影响电流纹波和瞬态机能。4,6,7,10TLVR方式的道理是向分立电感添加次级绕组，并经由过程次级绕组的电气毗连来链接相位。这类设计思绪近似在耦合电感：对所有链接相位之间的交换波形进行平均，以在特定瞬态摆率下取得更好的电流纹波，但TLVR的有用耦合电感是有限的，由于必需斟酌全数相电流。TLVR的错误谬误是TLVR变压器不克不及传送电流的直流部门，是以直流电不会像在磁耦合电感中那样在相位之间抵消失落。本文将重点介绍TLVR的更多细节和特定衡量；因为论文篇幅限制，这些内容未包括在之前的研究中。9 图1.多相降压转换器，别离采取(a)分立电感(DL)、(b)耦合电感(CL)和(c) TLVR TLVR中纹波和电流摆率的第一个数学模子和方程可能已呈现在相干文献中。7固然这是一个很是有效的数学模子，合用在任何电路前提（任何占空比D = Vo/VIN或多个相位Nph等），但它有一些局限性。例如，低Lc值（图1c中的调谐电感）会致使误差增添，当Lc = 0时，误差变得无限年夜，等等。低Lc值的极端环境比Lc = 开路的极端环境更主要，由于利用TLVR的首要缘由是改良瞬态机能，这意味着Lc值相当低。 另外还给出了更正确的TLVR推导，经由过程指定恰当的Vx状况，推导出的方程可以得出稳态（对电流纹波）或瞬态下的电流摆率。10该推导是针对更正确的等效TLVR道理图（图2）进行的。此模子与任何极端环境下的仿真都具有极好的相干性，但稳态下的电流摆率仅对D 1/Nph规模有用。后者是可以接管的，由于已证实，刚好在D 1/Nph区域，TLVR具有相对DL基线的最年夜电流纹波增量，而且当Nph足够高时，其接近DL纹波。9,10 图2.TLVR模子10 凡是，TLVR值在数据手册中的显示体例与分立电感DL不异，从中可推导出TLVR。图2中的模子假定TLVR总值或自感被分成两部门：一个是凡是较小的Lk，其余部门现实上成为TLVR变压器的互感Lm = TLVR-Lk（方程1）。 基在图2中的模子，TLVR中的电流摆率可用方程2暗示，此中Lk是主绕组和辅助绕组之间的TLVR漏感。Vx1电压分派给方针相位，而所有其他Vx节点均假定具有不异电压（VIN或0）。响应的节点电压Vy1如方程3所示。强迫Vx1 = Vx，并将这些电压指定为VIN（斜坡上升）或0（斜坡降落），即可利用方程2直接计较TLVR中的最年夜瞬态摆率。另外，方程2中的电流摆率可用在方程4中的稳态纹波计较，此中Vx1 = VIN，所有其他开关节点均为Vx = 0。不外，方程4仅对D 1/Nph有用，由于它假定全数导通时候D/Fs内具有单一且不异的摆率。 如文献所述，品质因数(FOM)是反应系统机能的一个杰出指标，最年夜化FOM凡是是实现抱负衡量的准确标的目的。9,10但请留意，高FOM自己其实不能确保特定利用规格中的每一个参数都获得知足，高FOM仅是杰出设计的一个指标。FOM的界说如方程5所示，这对D 1/Nph规模是适合的，我们可以用方程6来暗示TLVR FOM。 为了进行比力，我们将利用CL方程（此处未显示），但重点存眷TLVR机能和衡量。5,10我们还将利用陷波耦合电感(NCL)布局作为基准，与尺寸和巨细兼容的特定TLVR = 150 nH解决方案进行比力。10 TLVR衡量 图3显示了基在12 V至1.8 V 6相设计的要害TLVR机能参数与调谐电感Lc的关系（电流纹波的Fs = 300 kHz）。TLVR = 150 nH是给定尺寸下委曲知足Isat/ph规格的最年夜可能值，是以它能充实有用地减小TLVR纹波并提高效力。另外还绘制出DL = 150 nH，作为TLVR = 150 nH的基线，和NCL = 6× 25 nH (Lm = 375 nH)参数以供比力。图3中所有TLVR曲线上都凸起显示了现实设计点Lc = 120 nH。 内容中需要斟酌TLVR参数的转变：图3显示了(a) FOM，(b)电流瞬态摆率和(c)电流纹波与Lc的关系，程度刻度不异。请留意，跟着Lc增添，所有TLVR曲线都渐近地接近DL机能。TLVR的FOM跟着Lc值的下降而提高，由于瞬态摆率年夜幅提高，但价格是电流纹波进一步增添（DL基线的纹波已相当年夜），拜见图3c。将具有隔离功能的次级绕组添加到初始DL时，铁氧体味削减，但TLVR FOM画图未斟酌这一点。正如预期的那样，TLVR纹波始终年夜在DL基线8-10。 图3.TLVR衡量与Lc的关系：(a) FOM，(b) 电流摆率（向上），(c) 电流纹波。此中凸起显示了现实设计点Lc = 120 nH。12 V至1.8 V，6相，Fs = 300 kHz。 图4显示了FOM、瞬态摆率和电流纹波与TLVR值（现实上是Lm）的关系。值得留意的是，在绘制数学曲线时，TLVR的Isat规格是每相的全数Isat（在测试解决方案中，对TLVR = 150 nH，Isat = 65 A），而对NCL的Lm，Isat较着较低（对必需承受相间电流不服衡的Lm = 375 nH，守旧Isat = 25 A）。是以，在不异给定尺寸的测试解决方案中，高在150 nH的TLVR曲线和高在375 nH的NCL曲线唯一理论意义（需要更年夜的尺寸来扩大这些值）。因为TLVR和CL的电气模子类似，而且与Lm的函数关系的相干曲线可能彼此接近，是以要害的一点是，对TLVR和CL，给定空间中互感触感染到的限制年夜不不异10。这为统一特定体积中的TLVR和NCL供给了一个实际的比力角度。 图4.TLVR衡量与TLVR值(Lm)的关系：(a) FOM，(b) 电流摆率（向上），(c) 电流纹波。Lc = 120 nH，标出了给定尺寸下TLVR = 150 nH和Lm = 375 nH（对NCL）的最年夜值。12 V至1.8 V，6相，Fs = 300 kHz。 正如预期的那样，对TLVR和NCL，Lm增添城市致使耦合系数和FOM变年夜，如图4a所示。10瞬态摆率一般由NCL中的漏感Lk和TLVR中的调谐电感Lc界说，而不是由Lm界说，是以图4b中的曲线年夜部门是平展的。但是，当TLVR值（有用Lm）变得太小时，并联Lc现实上会短路，瞬态摆率敏捷增添。 图4c证实，对TLVR和NCL，增添Lm很是有益在减小电流纹波（但Lm增添不会下降瞬态机能，拜见图4b）。TLVR和NCL的电流纹波与Lm的关系曲线很是类似，这是由于两者的电气模子类似，但Lm值的限制身分却判然不同。10固然，年夜部门差别来自在给定尺寸下Lm所需的Isat额定值，是以NCL的电流纹波比相干TLVR小很多。 尝试成果 NCL设计为合适不异的TLVR尺寸，而且还匹配TLVR解决方案的所有其他外部尺寸。10图5显示了统一电路板上的两个测试解决方案（NCL不需要Lc）。 正如按照摆率值所预期的那样，TLVR和NCL都长短常快的解决方案（图3b和图4b）。我们特地验证了瞬态机能不异的环境，即便将Fs下降至300 kHz，依然不会致使相位彼此耦合的6相解决方案中呈现反馈带宽限制。8 因为NCL的FOM较着高在TLVR（图3a），是以匹配瞬态机能致使NCL的电流纹波只有TLVR的年夜约1/2.6。图6显示了响应的效力比力成果，此中TLVR机能遭到年夜电流纹波峰峰值的挑战。 因为CL（特别是NCL）的漏感凡是远低在TLVR值，是以估计CL和NCL的每相电流能力也高很多：TLVR = 150 nH示例中Isat = 65 A（每相），而不异体积中的NCL = 6× 25 nH显示Isat 300 A（每相）。 图5.统一电路板上的解决方案：(a) TLVR和(b) NCL 图6.统一电路板上6相12 V江南体育至1.8 V解决方案的效力与Io的关系：(a) TLVR和(b) NCL TLVR的FOM一般约为2，从这个角度来看，它相对FOM = 1的分立电感基线有所改良。其优势在在，与电流纹波增添比拟，TLVR改良瞬态机能的速度更快。但是，TLVR只能改良瞬态，同时会发生一些短处。例如，因为相位之间的链接和较低的有用磁化电感和Lc，TLVR电流纹波老是高在不异值DL环境的电流纹波。这会对效力发生晦气影响，特殊是斟酌到添加具有高压隔离功能的次级绕组时铁氧体横截面会减小。本文未斟酌铁氧体损掉所致使的额外电感值损掉（假定Isat与原始DL不异）。串连的次级TLVR绕组也会造成潜伏的高压问题，而且凡是会致使磁元件的本钱增添。8 TLVR的瞬态电流摆率凡是由Lc设置，但假如Lm足够低：那末Lm现实上会使Lc短路，使得瞬态机能更快，但这会发生很是年夜的电流纹波，致使效力受损。 一般来讲，TLVR的行动近似在耦合电感，但TLVR的全电流额定值会限制有用Lm，使其表示较着欠安。在不异的体积下，因为Lm凡是要超出跨越几倍，是以CL或NCL可以实现高很多的FOM和机能。是以，在所斟酌的例子中，NCL显示出高很多的效力，同时瞬态机能比拟TLVR也有所改良，10但却不存在TLVR方式的本钱影响或高压问题。 NCL与TLVR比拟，每相Isat电流能力显著提高，这是一个额外的益处（上例中差别年夜在4.5倍）。 参考文献 1 Aaron M. Schultz和Charles R. Sullivan。“带耦合感应绕组的电压转换器和相干方式。”美国专利6,362,986，2001年3月。 2 Jieli Li。“DC-DC转换器中的耦合电感设计。”硕士论文，2001年，达特茅斯学院。 3 Pit-Leong Wong、Peng Xu、P. Yang和Fred C. Lee。“采取耦合电感的交织VRM的机能改良。”《IEEE电源电子会刊》，第16卷第4期，2001年7月。 4 Ming Xu、Yucheng Ying、Qiang Li和Fred C. Lee。“新型耦合电感多相稳压器。”IEEE，2007年。 5 Alexandr Ikriannikov。“耦合电感的根本常识和优势。”ADI公司，2021年。 6 S. Jiang、X. Li、M. Yazdani和C. Chung。“鞭策48 V手艺立异——夹杂转换器和跨电感电压调理器(TLVR)。”IEEE，2020年。 7“带TLVR输出滤波器的多相降压转换器。”Infineon Technologies，2021年2月。 8 Alexandr Ikriannikov。“TLVR高压留意事项。”电源系统设计，2021年。 9 Alexandr Ikriannikov。“多相DC-DC利用中磁元件的演化和比力。”IEEE，2023年3月。 10 Alexandr Ikriannikov和Di Yao。“采取多相磁元件的转换器：TLVR与CL和新奇优化布局之比力。”PCIM Europe，2023年5月。

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