【導讀】隨著(zhù)設計需求越來(lái)越具有挑戰性，尤其是在數據中心和AI等低電壓、大電流應用領(lǐng)域，電壓調節器(VRS)的性能改進(jìn)非常重要。一種可能的性能改進(jìn)是使用耦合電感，但最近業(yè)界提出了一種類(lèi)似的方法，那就是跨電感電壓調節器(TLVR)。TLVR的原理圖來(lái)自耦合電感模型，但物理行為不同。事實(shí)上，耦合電感的簡(jiǎn)單模型通常是可以輕松用于仿真以實(shí)現正確波形的東西，但它與實(shí)際物理行為并不對應。另一方面，TLVR幾乎是由原理圖所示的元件構建，因此在這種情況下，仿真模型更接近實(shí)際系統的物理行為。
隨著(zhù)設計需求越來(lái)越具有挑戰性，尤其是在數據中心和AI等低電壓、大電流應用領(lǐng)域，電壓調節器(VRS)的性能改進(jìn)非常重要。一種可能的性能改進(jìn)是使用耦合電感，但最近業(yè)界提出了一種類(lèi)似的方法，那就是跨電感電壓調節器(TLVR)。TLVR的原理圖來(lái)自耦合電感模型，但物理行為不同。事實(shí)上，耦合電感的簡(jiǎn)單模型通常是可以輕松用于仿真以實(shí)現正確波形的東西，但它與實(shí)際物理行為并不對應。另一方面，TLVR幾乎是由原理圖所示的元件構建，因此在這種情況下，仿真模型更接近實(shí)際系統的物理行為。
TLVR是一個(gè)相對較新的開(kāi)發(fā)，具體細節和特性仍在研究當中。本文重點(diǎn)討論TLVR的瞬態(tài)行為，它會(huì )影響TLVR設計本身的隔離要求，以及整個(gè)母板的隔離和安全考量。
TLVR和瞬態(tài)
多相降壓調節器使用來(lái)自的TLVR原理圖，如圖1所示。雖然主電感繞組仍然連接在相位和VO的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)之間，但添加的輔助繞組彼此串聯(lián)電連接，并連接到調諧電感LC。若移除LC，電路就又回到降壓轉換器中只有分立（未耦合）電感的情況。若LC輸出短路，則各相之間的關(guān)聯(lián)度最強，瞬變性能也最快，但這也會(huì )影響電流波形和電流紋波的一般幅度。實(shí)際上，LC通常是這兩種極端情況的折衷選擇。
圖1. TLVR原理圖
與任何多相降壓轉換器一樣，當快速瞬變負載階躍到達時(shí)，輸出電壓的變化導致反饋作出反應，相應地調整電壓和電流。對于TLVR，一個(gè)潛在問(wèn)題是所有輔助繞組都是串聯(lián)連接，與主繞組的變壓器匝數比通常是1:1。TLVR主繞組上有以開(kāi)關(guān)頻率施加的方波，理想情況下不同相位之間存在時(shí)間上的相移。但在瞬變期間，這些相位通常會(huì )對齊以提高性能。
考慮一個(gè)12V轉1.8V應用中的激進(jìn)地負載瞬態(tài)，所有相位中的所有高端FET都導通以使電感電流盡可能快速地上升，因此(VIN - VO) = 10.2V電壓同時(shí)應用于所有主繞組，如圖2所示。實(shí)際波形將取決于電路參數，但在最壞情況下，1:1變壓器會(huì )在其副邊生成10.2V電壓，因此副邊的電壓脈沖將是(VIN - VO) × NPH。這顯然是一個(gè)安全擔憂(yōu)。圖2對于150nH值的TLVR給出了實(shí)際值，主繞組和輔助繞組之間的小型漏電感測量值為5nH。圖中還顯示了LC值為160nH。此LS值在NPH~6的典型范圍內，但可以調整，特別是針對不同數量的關(guān)聯(lián)相位。
圖2. TLVR = 150nH的等效原理圖，最壞情況下的加載瞬態(tài)
圖3. TLVR最壞情況瞬態(tài)仿真：a) LC = 160nH，b) LC 開(kāi)路，NPH = 20
圖3顯示了NPH = 20的仿真，所有VX開(kāi)關(guān)節點(diǎn)具有10.2V的100ns脈沖：圖3a中LC = 160nH，圖3b中LC = 開(kāi)路。圖中繪制了所有副邊TLVR電壓曲線(xiàn)，以顯示繞組的串聯(lián)連接如何逐步提升電壓。當LC = 160nH且加載20個(gè)關(guān)聯(lián)相位的副邊繞組時(shí)，電路板上的電壓達到約123V。但在LC斷開(kāi)連接的情況下，電壓步進(jìn)可以高達197V，因為副邊無(wú)負載?？傠妷焊咏顗那闆r(VIN - VO) × NPH。
然而，圖3中的結果仍然過(guò)于樂(lè )觀(guān)。實(shí)際上，圖3中的簡(jiǎn)化仿真至少需要加上GND層與連接副邊TLVR繞組的相當寬走線(xiàn)之間的寄生電容。這些寄生電容的實(shí)際估計值在5pF左右。如圖4所示給每個(gè)TLVR副邊節點(diǎn)加上5pF電容，得到圖5所示的仿真。添加的寄生電容在高Q值電路中引起大量振蕩，因為出于效率和瞬態(tài)考慮，電阻保持最小值。相同的NPH = 20情況顯示：當存在LC = 160nH時(shí)，電壓峰值為239V；如果LC從電路板斷開(kāi)，峰值電壓為390V。
請注意，布局寄生電容的值并不重要——它只影響振蕩的頻率和包絡(luò )，但不影響幅度。
圖4. 布局電容被添加到TLVR等效瞬態(tài)原理圖中
至少有兩種方法可減輕這種高壓?jiǎn)?wèn)題。一種是確保各相位在瞬態(tài)期間不對齊，或者對齊相位不超過(guò)2到3個(gè)?？刂破髟O計可以考慮這種方法，但很顯然，它會(huì )限制瞬態(tài)響應可達到的速度。另一種方法是限制TLVR關(guān)聯(lián)相位的數量。但是，鑒于NPH需要足夠高以便約束電流紋波，同時(shí)NPH也需要足夠低以便限制最壞情況下的副邊電壓，因此這種方法的實(shí)際限值是多少？
圖5. TLVR最壞情況瞬態(tài)仿真，每個(gè)副邊節點(diǎn)添加5pF電容：a) LC = 160nH，b) LC開(kāi)路，NPH = 20
關(guān)聯(lián)NPH的考慮事項
TLVR中電流紋波的一個(gè)推導式如所示。它對任何占空比值都有效，但由于等效電路為該推導式進(jìn)行了簡(jiǎn)化（各TLVR中沒(méi)有專(zhuān)用漏電感LK作為一個(gè)單獨元件），它對于LC = 開(kāi)路是準確的，但隨后便開(kāi)始累積誤差，當LC = 短路時(shí)誤差達到無(wú)窮大。它還假設TLVR漏電感LK<
圖6. 不同NPH的計算歸一化電流紋波與VO的關(guān)系(VIN = 12V)：a) 耦合電感(LM/LK = 5)，b) TLVR = 150nH (LC = 120nH)
圖7顯示了TLVR = 150nH和不同LC值下作為關(guān)聯(lián)TLVR相位的函數的電流紋波。LC值越低，引入的誤差越大，但趨勢非常清晰；降低NPH或降低LC會(huì )導致電流波紋增加。請注意，TLVR始終具有比基線(xiàn)分立電感（LC = 開(kāi)路）更大的紋波。假設LC值足夠大，可以得出結論，為使電流紋波影響受控，關(guān)聯(lián)相位的最小數量應在NPH_min~1/D左右，參見(jiàn)公式(1)。換句話(huà)說(shuō)，NPH至少應提高到電流紋波曲線(xiàn)的第一陷波；在這里，不同相位的占空比接近重疊。
圖7. 不同LC 下TLVR = 150nH的計算電流紋波與關(guān)聯(lián)NPH的關(guān)系（VIN = 12V，VO = 1.8V，fS = 400kHz）
另一個(gè)結論是，VO越低，則所需的最低關(guān)聯(lián)相位數量越多，因為NPH_min = VIN/VO。對于VIN = 12V且VO = 1.8V，TLVR解決方案大約需要NPH_min~6，而對于VO = 0.8V，大約需要NPH_min~15，參見(jiàn)圖8。當然，如果對電流紋波有額外的影響，并且可以容忍效率的降低，那么更少數量的NPH也是可以接受的。請注意，為了一致性，圖8是針對相同的TLVR = 150nH和相同的LC值繪制的，與VO = 1.8V情況相同。這導致電流波紋較小。但是，降低的VO會(huì )使瞬態(tài)性能更差，因此TLVR解決方案很有可能會(huì )調整以改善瞬態(tài)，導致電流波紋增加。
假設在12V轉1.8V應用中，關(guān)聯(lián)NPH = 6為目標的話(huà)可使TLVR電流紋波保持較低水平。圖9顯示了原邊上所有相位都有100ns脈沖時(shí)的最壞情況下的副邊TLVR電壓(VIN - VO)。當存在LC = 120nH時(shí)，副邊電壓可以達到77V。如果LC從PCB斷開(kāi)，則無(wú)負載的副邊電壓可以振蕩幅度達到113V。
圖8. 不同LC 下TLVR = 150nH的計算電流紋波與關(guān)聯(lián)NPH的關(guān)系。VIN = 12V，VO = 0.8V，fS = 400kHz
圖9. TLVR最壞情況瞬態(tài)仿真，每個(gè)副邊節點(diǎn)添加5pF電容：a) LC = 120nH，b) LC 開(kāi)路，NPH = 6
對最壞情況副邊TLVR電壓的粗略估計如式(2)所示，其中2x乘數來(lái)自振蕩而不是脈沖波形。
TLVR內部泄漏使此電壓峰值略微降低，但在設計保證下該泄漏一般較小。相應地，對于NPH = 20，估算VPEAK為408V；對于NPH = 6，估算電壓峰值為122V，而仿真結果分別為377V（圖5b）和113V（圖8b）。
為使最壞情況下副邊電壓低于期望的最小VPEAK，估算的NPH_max大致如式(3)所示。假設PCB的額定最大值限制為60V，則對于12V轉1.8V應用，NPH_max < 2.9；對于12V轉0.8V應用，NPH_max < 2.6。這會(huì )給約束電流紋波帶來(lái)問(wèn)題，因為對于VO = 1.8V，NPH_min = 6；對于VO = 0.8V，NPH_min = 15。如果安全額定值需要足夠低的電壓限值，那么在實(shí)際應用中，似乎會(huì )發(fā)生額外電流紋波增加的現象，因此預期會(huì )有更明顯的效率影響。
圖10顯示了NPH_min（效率）和NPH_max（安全）與VO的關(guān)系，假設安全額定值為VPEAK = 60V且VIN = 12V。NPH_min和NPH_max之間的可能解決辦法僅存在于VO = 3.5V以上，而在較低電壓時(shí)，由于安全問(wèn)題，NPH_MAX會(huì )覆蓋它，導致電流紋波較高且和相關(guān)效率受影響。
圖10. NPH_min（效率）和NPH_max（安全）與VO的關(guān)系，假設VIN = 12V，安全額定值VPEAK = 60V
當然，如果降低NPH，這也會(huì )導致外加調諧電感LC的總數增加，因為每個(gè)關(guān)聯(lián)繞組都需要一個(gè)。
結論
TLVR方法是對分立電感方案的改進(jìn)，但它主要改善瞬態(tài)，同時(shí)會(huì )產(chǎn)生電流紋波，因此使效率變差。為使電流紋波影響受控，建議關(guān)聯(lián)NPH_min > VIN/VO。從安全角度來(lái)看，如果期望PCB上的最壞情況電壓為VPEAK限值，那么關(guān)聯(lián)的相位數需要不超過(guò)NPH_max < VPEAK/((VIN - VO) × 2)。安全標準一般會(huì )超越電流紋波考慮，因此預期TLVR方法的電流紋波和效率會(huì )受影響。
解決高壓?jiǎn)?wèn)題的另一種可能性是確?？刂破鲗R的相位數永遠不超過(guò)根據上述NPH_max確定的最大數量（60V限值最多為2到3個(gè)相位，等等）。這種方法的挑戰在于，它會(huì )限制系統瞬態(tài)性能可以達到的響應速度。還應考慮穩態(tài)操作時(shí)過(guò)多相位重疊。
本文轉載自：亞德諾半導體
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