【導讀】TLVR 結構是一種有效的實(shí)現方式，可在多相 VR 的負載瞬變期間加速動(dòng)態(tài)響應。
TLVR 結構
TLVR 結構是一種有效的實(shí)現方式，可在多相 VR 的負載瞬變期間加速動(dòng)態(tài)響應。
如圖 1 所示，TLVR 結構利用 TLVR 電感器取代傳統多相 VR 中的輸出電感器。TLVR 電感器可以看作是具有初級和次級繞組的 1：1 變壓器。所有 TLVR 電感器都通過(guò)連接所有 TLVR 電感器的次級繞組進(jìn)行耦合。TLVR 電感器次級側的電流 I立法會(huì )，由所有不同相位的控制信號決定。由于耦合效應，一旦 VR 的一相的占空比發(fā)生變化以響應負載瞬態(tài)，所有相的輸出電流可以同時(shí)上升或下降。這就是為什么 TLVR 結構可以實(shí)現出色的負載瞬態(tài)性能。
圖 1.（a） 沒(méi)有 TLVR 結構的傳統多相 VR 的電路圖和 （b） 有 TLVR 結構的多相 VR 的電路圖。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
基于 Transformer 的 VR
基于 Transformer 的 VR 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?VR 配備降壓變壓器，具有高而靈活的降壓比、簡(jiǎn)單緊湊的結構、高效率等特點(diǎn)。與無(wú)變壓器多相 VR 不同，基于變壓器的 VR 允許更高的輸入電壓，為簡(jiǎn)化 VR 設計和實(shí)現更高的效率開(kāi)辟了一個(gè)全新的世界。
圖 2 顯示了基于 transformer 的 VR 的一個(gè)代表性示例的電路圖。VR 電路具有一個(gè)帶有兩個(gè)次級繞組的降壓變壓器，次級側有一個(gè)電流倍增器結構?？梢栽O計更多的次級繞組以實(shí)現更高的輸出電流和功率密度，并且次級側不需要額外的控制信號。通過(guò)適當的控制電路和策略，圖 2 中的多個(gè)示例 VR 電路可以并聯(lián)連接，為各種高性能微處理器提供所需的電流。因此，圖 2 所示的 VR 電路是本文中的一個(gè)示例。
圖 2.一個(gè)基于 transformer 的 VR 示例的電路圖。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
TLVR 結構在基于 Transformer 的 VR 中的優(yōu)勢
TLVR 結構可以顯著(zhù)加速 VR 的動(dòng)態(tài)響應，在負載瞬變期間無(wú)需任何降壓變壓器。然而，這種卓越的動(dòng)態(tài)性能伴隨著(zhù)許多挑戰。無(wú)需任何降壓變壓器，這些無(wú)變壓器 VR 通常在 TLVR 電感器的初級和次級側以低占空比和高電壓工作。TLVR 電感器次級側的高電壓秒級導致 TLVR 電感器次級側產(chǎn)生高循環(huán)電流，并在穩態(tài)運行期間產(chǎn)生額外的功率損耗。如圖 1b 所示，應增加一個(gè)額外的電感器 Lc 以限制 TLVR 電感器次級繞組中的循環(huán)電流。1 額外的電感器進(jìn)一步增加了系統損耗和成本。
在基于 transformer 的 VR 中引入 TLVR 結構時(shí)，可以順利解決 TLVR 結構帶來(lái)的挑戰。通過(guò)將 TLVR 結構與降壓變壓器相結合，由于主變壓器的高降壓比，TLVR 結構的缺點(diǎn)變得不那么明顯。同時(shí)，仍然可以實(shí)現極快的動(dòng)態(tài)響應，因為耦合效應推動(dòng)所有相的電流在負載瞬態(tài)期間同時(shí)響應。由于采用降壓變壓器，施加到 TLVR 電感器上的電壓降低，從而降低了電感器損耗。TLVR 電感器次級側所需的附加電感器的電感值可以低得多。事實(shí)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)的進(jìn)一步損耗和成本。此外，與 TLVR 電感器和附加電感相關(guān)的絕緣問(wèn)題不再是一個(gè)問(wèn)題。
具有靈活 TLVR 結構的基于 Transformer 的 VR
在具有 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 中，電路中的所有輸出電感都被 TLVR 電感取代。此外，在基于 transformer 的 VR 中應用 TLVR 結構時(shí)，可以實(shí)現兩種類(lèi)型的實(shí)現，這在實(shí)現此結構時(shí)提供了極大的靈活性。圖 3 顯示了兩種實(shí)現方式的電路圖，使用圖 2 中所示的兩個(gè) VR 模塊并聯(lián)連接。圖 3a 中的實(shí)現稱(chēng)為串聯(lián)，因為 TLVR 電感器的所有次級繞組都是串聯(lián)的。圖 3b 所示的另一種實(shí)現稱(chēng)為 串-并行連接。在模塊 1 中，L11 和 L12 的次級繞組在與 L13 和 L14 的次級繞組的串聯(lián)并聯(lián)之前串聯(lián)。模塊 1 中 TLVR 電感器的次級繞組的這種連接終與模塊 2 中的對應連接串聯(lián)，如圖 3b 所示。同樣，當兩個(gè)以上基于 transformer 的 VR 模塊并聯(lián)時(shí)，可以實(shí)現圖 3 中具有 TLVR 結構的兩個(gè)實(shí)現。
設計和實(shí)現中增強的靈活性不會(huì )增加控制復雜性。相同的控制方案適用于具有 TLVR 結構的基于 transformer 的 VR 的兩種實(shí)現。這里以基于 transformer 的 VR 為例，其中三個(gè)模塊并聯(lián)。在不同 VR 模塊的控制信號之間插入相移。在模塊 1 和模塊 2 之間插入的相移為 60°，在模塊 2 和模塊 3 的控制信號之間插入 60° 的相移。如果 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。
施加到所有 TLVR 電感器的電壓都可以根據建議的控制方案得出。圖 4 總結了兩個(gè)并聯(lián)模塊的基于變壓器的 VR 中所有 TLVR 電感的電壓波形。由于圖 3 中的兩種類(lèi)型的實(shí)現具有相同的控制信號，因此電感電壓波形也相同。還可以觀(guān)察到 L11 和 L13 具有相同的電壓波形，L12 和 L14 就是這種情況。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 電感器次級側的電流 I秒，在主降壓變壓器初級側的 MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率為 4× 時(shí)具有高頻紋波。當 N （N > 2） 模塊并聯(lián)時(shí)，電流紋波 I秒將處于更高的頻率（開(kāi)關(guān)頻率× 2N），并且 I 的幅度秒可以進(jìn)一步減少。因此，所提出的帶移相的控制方案不僅可以減小輸出電壓紋波，而且可以有效抑制I的紋波秒;因此，TLVR 電感器次級側的傳導損耗。
圖 3.兩個(gè)基于 TLVR 結構的基于并聯(lián)變壓器的 VR 模塊的兩種實(shí)現方式：（a） 串聯(lián)連接和 （b） 串并聯(lián)連接。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
在具有 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 中不需要額外的電感器。此外，還消除了額外電感帶來(lái)的額外成本和損耗，大大提高了系統的效率和成本。由于變壓器降壓比高（小 n），與采用 TLVR 結構的無(wú)變壓器 VR 相比，TLVR 電感器的電壓顯著(zhù)降低。因此，無(wú)需在 TLVR 電感的次級側引入額外的補償電感 Lc 來(lái)抑制電流紋波。有關(guān) TLVR 電感電壓的詳細信息，請參見(jiàn)圖 4。在這種情況下，電路中的寄生電感和 TLVR 電感器的漏感在塑造 TLVR 電感器次級側的電流 I 中起著(zhù)關(guān)鍵作用秒.為了進(jìn)一步改善負載瞬態(tài)期間的動(dòng)態(tài)性能，降低 TLVR 電感器次級側的漏感和寄生電感非常重要。
圖 4.具有 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 模塊（兩個(gè)模塊并聯(lián)）中 TLVR 電感器的電壓和次級電流波形。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
原型和實(shí)驗結果
設計和構建了具有 TLVR 結構的基于 transformer 的 VR 模塊的兩種實(shí)現方式，包括串聯(lián)連接和串并聯(lián)連接版本。圖 5a 顯示了典型 TLVR 電感的 3D 模型。構建的模塊原型如圖 5b 所示。兩個(gè)版本的大小與沒(méi)有 TLVR 結構的版本相同。換句話(huà)說(shuō)，采用 TLVR 電感器來(lái)實(shí)現 TLVR 結構，無(wú)論是串聯(lián)連接還是串并聯(lián)連接，都不會(huì )增加 VR 模塊的尺寸。
具有 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 的極快負載瞬態(tài)性能已在構建的原型中成功證明。實(shí)驗裝置由兩個(gè)并行運行的 VR 模塊組成，如圖 5b 所示。TLVR 電感器的次級側沒(méi)有安裝額外的電感器。負載瞬態(tài)介于 20 A 和 170 A 之間，轉換速率為 125 A/μs。圖 6 所示的基線(xiàn)比較清楚地說(shuō)明了具有 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 具有出色的負載瞬態(tài)響應，其中以串并聯(lián)連接版本為例。為了公平地進(jìn)行比較，沒(méi)有 TLVR 結構的情況是通過(guò)斷開(kāi) TLVR 電感器次級側的連接來(lái)實(shí)現的。當負載電流從 20 A 上升到 170 A 時(shí)，采用 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 可以快速調節輸出電壓，峰峰值電壓紋波要低得多。
經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)，采用 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 實(shí)現了極快的負載瞬態(tài)響應。詳細的瞬態(tài)波形如圖 7 所示。在 20 A 至 170 A 的相同瞬態(tài)下，由于 TLVR 結構帶來(lái)的極快響應，峰峰值輸出電壓紋波僅為 23.7 mV。采用 TLVR 結構大幅加速了動(dòng)態(tài)響應，峰峰值輸出電壓紋波降低了 62%。測得的 115 kHz 高控制帶寬也證明了 TLVR 結構實(shí)現了極快的負載瞬態(tài)響應。表 1 總結了詳細的比較。
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，TLVR 結構在演示板上并聯(lián)。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
表 1.具有 TLVR 結構和無(wú) TLVR 結構的基于 transformer 的 VR 之間的動(dòng)態(tài)響應比較。
結構采用 TLVR 結構無(wú) TLVR 結構
輸出電容15.2 毫法郎15.2 毫法郎
電壓紋波 （pk-pk）23.7 毫伏62 毫伏
控制帶寬115 kHz45 赫茲
相位裕量69°40.7°
圖 6.基于變壓器的 VR 與 TLVR 結構和無(wú) TLVR 結構的負載瞬態(tài)響應比較。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
圖 7.具有 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 的極快負載瞬態(tài)響應。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
基于變壓器的穩壓器研究
為了進(jìn)一步展示基于 transformer 的 VR 與 TLVR 結構相結合的好處，本節根據實(shí)際應用的規范介紹了基于 transformer 的 VR 研究。實(shí)施和測試了帶和不帶 TLVR 結構的基于 Transformer 的 VR 解決方案，以提供 0.825 V/540 A 的電源軌。表 2 總結了規格和測試結果的詳細信息。具有相當的相位裕量和增益裕量，采用 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 解決方案比沒(méi)有 TLVR 結構的 VR 解決方案實(shí)現了 61% 的控制帶寬。因此，再次證明了 TLVR 結構實(shí)現的極快瞬態(tài)，如圖 8 所示。峰峰值輸出電壓紋波僅為 40.92 mV，低于 0.825 V 輸出電壓的 5%。
在節省 39% 的輸出電容后，與沒(méi)有 TLVR 結構的 VR 解決方案相比，采用 TLVR 結構的 VR 解決方案仍然實(shí)現了低得多的峰峰值電壓紋波。因此，輸出電容的數量減少了 27%，從而大大減小了系統解決方案的尺寸。由于 TLVR 結構實(shí)現了快速瞬態(tài)響應，輸出電容器的成本可以降低 43%。
通常，具有極快動(dòng)態(tài)響應的 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 可以有效降低輸出電容，同時(shí)在快速負載瞬變期間保持低輸出電壓紋波。此外，在具有 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 中不需要額外的電感器。因此，具有 TLVR 結構的基于變壓器的 VR 解決方案可以顯著(zhù)減小總解決方案尺寸，并大幅降低解決方案成本，尤其是輸出電容器的成本。兩種可供使用的實(shí)施方式進(jìn)一步帶來(lái)了極大的靈活性;同時(shí)，控制復雜性不會(huì )增加。
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