基于變壓器的穩(wěn)壓器，具有靈活的TLVR結構，可實現(xiàn)極快的動態(tài)響應

Xingxuan Huang, Xinyu Liang, and Chuan Shi

在穩(wěn)壓器（VR）中，對于需要高達數(shù)千安培的高電流的各種應用，非常需要極快的動態(tài)響應。本文介紹了基于變壓器的VR，其跨電感穩(wěn)壓器（TLVR）結構旨在實現(xiàn)負載瞬變期間的極快響應。基于變壓器的VR采用TLVR結構，克服了傳統(tǒng)TLVR結構的缺點，具有極大的設計靈活性和極快的瞬態(tài)響應，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。提供了詳細的實驗結果和案例研究，以證明基于變壓器的TLVR結構VR的綜合優(yōu)勢。

介紹

如今，多相VR發(fā)揮著越來越重要的作用，因為它們用于為各種微處理器（如CPU，GPU和ASIC）供電。近年來，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用中，如加密采礦和自動駕駛系統(tǒng)。因此，微處理器需要更高的電流和更高的壓擺率。因此，VR需要在負載瞬變期間具有更快的動態(tài)響應，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)響應對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結構，旨在實現(xiàn)極快的負載瞬態(tài)響應，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結構時，可以輕松解決TLVR結構的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。

將提供設計和實施細節(jié)，并通過基于實際應用的案例研究來展示綜合效益。還應該注意的是，本文中的設計和實現(xiàn)細節(jié)目前正在申請專利。

TLVR結構是加速多相VR負載瞬變期間動態(tài)響應的有效實現(xiàn)。1,2,3如圖1所示，TLVR結構利用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繞組和次級繞組的1：1變壓器。所有TLVR電感器的耦合是通過連接所有TLVR電感器的次級繞組來實現(xiàn)的。TLVR電感器次級側的電流，I立法會，由所有不同相位的控制信號決定。由于耦合效應，一旦VR的一個相位的占空比發(fā)生變化以響應負載瞬變，所有相位的輸出電流就可以同時上升或下降。這就是為什么TLVR結構可以實現(xiàn)出色的負載瞬態(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爭性電源解決方案?；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，結構簡單緊湊，效率高。與無變壓器多相VR相比，基于變壓器的VR允許更高的輸入電壓，從而為簡化VR設計和實現(xiàn)更高的效率打開了一個全新的世界。

圖2顯示了基于變壓器的VR的一個代表性示例的電路圖。VR電路具有一個帶兩個次級繞組的降壓變壓器，次級側具有倍流器結構?？梢栽O計更多的次級繞組以實現(xiàn)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。通過適當?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路和策略，圖2中的多個示例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） 沒有TLVR結構的傳統(tǒng)多相VR的電路圖和（b）具有TLVR結構的多相VR的電路圖。

圖2.一個基于變壓器的VR示例的電路圖。

TLVR結構在基于變壓器的VR中的優(yōu)勢

結果表明，TLVR結構在負載瞬變期間無需降壓變壓器即可顯著加快VR的動態(tài)響應。然而，這種卓越的動態(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，這些無變壓器VR通常在TLVR電感器的初級側和次級側均以低占空比和高電壓運行。TLVR電感器次級側的高電壓秒會導致TLVR電感器次級側的高環(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，增加了一個電感Lc應添加以限制TLVR電感器次級繞組中的環(huán)流。1額外的電感進一步增加了系統(tǒng)損耗和成本。

在基于變壓器的VR中引入TLVR結構時，可以順利解決TLVR結構帶來的挑戰(zhàn)。通過將TLVR結構與降壓變壓器相結合，由于主變壓器的高降壓比，TLVR結構的缺點變得不那么明顯。同時，由于耦合效應推動所有相的電流在負載瞬變期間同時響應，仍然可以實現(xiàn)極快的動態(tài)響應。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電感器次級側所需的附加電感的電感可以低得多。實際上，通過利用寄生電感，可以消除額外的電感，以及電感帶來的額外損耗和成本。此外，與TLVR電感器和附加電感相關的絕緣問題不再是問題。

基于變壓器的VR，具有靈活的TLVR結構

在采用TLVR結構的基于變壓器的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中應用TLVR結構時，可以實現(xiàn)兩種類型的實現(xiàn)，這在實現(xiàn)這種結構時提供了極大的靈活性。圖3以圖2所示的兩個并聯(lián)VR模塊為例，顯示了兩種實現(xiàn)方式的電路圖。圖3a中的實現(xiàn)稱為串聯(lián)連接，因為TLVR電感器的所有次級繞組都是串聯(lián)連接的。圖3b所示的其他實現(xiàn)稱為串并聯(lián)連接。在模塊1中，L11和L12的次級繞組先串聯(lián)連接，然后再與L13和L14次級繞組的串聯(lián)連接并聯(lián)。模塊1中TLVR電感器的次級繞組的這種連接最終與模塊2中的對應連接串聯(lián)，如圖3b所示。同樣，當兩個以上基于變壓器的VR模塊并聯(lián)時，可以實現(xiàn)圖3中TLVR結構的兩個實現(xiàn)。

設計和實施靈活性的增強不會增加控制復雜性。基于變壓器的TLVR結構VR的兩種實現(xiàn)應用了相同的控制方案。本文以基于變壓器的三個模塊并聯(lián)的VR控制方案為例進行介紹。在不同VR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 60 和模塊 2 的控制信號之間插入的相移為 3°。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，可以推導出施加到所有TLVR電感器的電壓。圖4總結了基于變壓器的VR中所有TLVR電感器的電壓波形，其中兩個模塊并聯(lián)連接。由于圖3中的兩種實現(xiàn)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電感器次級側的電流，I秒，在主降壓變壓器初級側的 MOSFET 開關頻率為 4× 時具有高頻紋波。用N（N>2）個模塊并聯(lián)連接，電流紋波為I秒將在更高的頻率（×開關頻率2N），幅度為I秒可以進一步減少。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電感器次級側的傳導損耗。

此外，在采用TLVR結構的基于變壓器的VR中不需要額外的電感器。此外，還消除了附加電感帶來的額外成本和損耗，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結構的無變壓器VR相比，TLVR電感器的電壓大大降低。因此，無需引入額外的補償電感器Lc在TLVR電感器的次級側，以抑制電流紋波。有關TLVR電感電壓的詳細信息如圖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電感器次級側的電流中起著關鍵作用，I秒.為了進一步改善負載瞬變期間的動態(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3.兩個具有TLVR結構的基于并聯(lián)變壓器的VR模塊的兩種實現(xiàn)：（a）串聯(lián)連接和（b）串并聯(lián)連接。

圖4.基于變壓器的TLVR結構VR模塊（兩個模塊并聯(lián)）中TLVR電感器的電壓和次級電流波形。

原型和實驗結果

設計和構建了基于變壓器的TLVR結構VR模塊的兩種實現(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。構建的模塊原型如圖 5b 所示。兩個版本都具有與沒有TLVR結構的對應版本相同的大小。換句話說，采用TLVR電感器來實現(xiàn)TLVR結構，無論實現(xiàn)串聯(lián)還是串并聯(lián)連接，都不會增加VR模塊尺寸。

基于變壓器的TLVR結構VR的極快負載瞬態(tài)性能已經(jīng)通過構建的原型成功證明。實驗設置由兩個并行運行的VR模塊組成，如圖5b所示。TLVR電感器的次級側沒有安裝額外的電感器。負載瞬態(tài)介于20 A至170 A之間，壓擺率為125 A/μs。基于變壓器的TLVR結構VR的出色負載瞬態(tài)響應在圖6所示的基線比較中得到了清晰的說明，其中以串并聯(lián)版本為例。為了進行公平的比較，沒有TLVR結構的情況是通過斷開TLVR電感器次級側的連接來實現(xiàn)的。當負載電流從20 A上升到170 A時，基于變壓器的TLVR結構VR可以更快地調節(jié)輸出電壓，峰峰值電壓紋波要低得多。

經(jīng)過進一步改進后，在基于變壓器的TLVR結構VR中實現(xiàn)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，峰峰值輸出電壓紋波僅為23.7 mV，這要歸功于TLVR結構帶來的極快響應。采用TLVR結構可顯著加快動態(tài)響應，從而將峰峰值輸出電壓紋波降低62%。測得的115 kHz高控制帶寬也證明了TLVR結構可實現(xiàn)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） 兩個基于變壓器的 VR 原型，在演示板上并聯(lián) TLVR 結構。

圖6.基于變壓器的VR的TLVR結構和無TLVR結構的負載瞬態(tài)響應比較。

圖7.基于變壓器的VR具有TLVR結構的極快負載瞬態(tài)響應。

個案研究

為了進一步展示基于變壓器的VR與TLVR結構相結合的好處，本節(jié)介紹了基于實際應用規(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結構）都經(jīng)過實施和測試，可提供0.825 V/540 A電源軌。規(guī)格和測試結果的詳細信息總結在表2中。基于變壓器的TLVR結構VR解決方案具有相當?shù)南辔辉Ａ亢驮鲆嬖Ａ?，其控制帶寬比不采用TLVR結構的VR解決方案高61%。因此，再次演示了TLVR結構實現(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，與沒有TLVR結構的VR解決方案相比，采用TLVR結構的VR解決方案仍實現(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結構實現(xiàn)了極快的瞬態(tài)響應，輸出電容器的成本可以降低43%。

通常，基于變壓器的具有TLVR結構的VR具有極快的動態(tài)響應，可以有效降低輸出電容，同時在快速負載瞬變期間仍保持低輸出電壓紋波。此外，在采用TLVR結構的基于變壓器的VR中不需要額外的電感器。因此，基于變壓器的TLVR結構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。兩種可用的實現(xiàn)方案進一步帶來了極大的靈活性，同時控制復雜性不會增加。

圖8.基于變壓器的 VR 的極快負載瞬態(tài)響應，具有 TLVR 結構，負載瞬態(tài)為 150 A 至 350 A（三個 VR 模塊并聯(lián)）。

總結

微處理器的VR解決方案需要具有更快的動態(tài)響應，因為微處理器在廣泛的應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結構的VR，以實現(xiàn)微處理器負載瞬變期間的極快動態(tài)響應。通過將基于變壓器的VR與TLVR結構相結合，由于主變壓器的降壓比大，可以輕松解決TLVR結構的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。TLVR電感的過度損耗可以顯著降低，并且不需要額外的補償電感，從而降低損耗和成本。此外，在基于變壓器的VR中實現(xiàn)TLVR結構時，可以采用兩種類型的實現(xiàn)方式，這在設計和實現(xiàn)上提供了極大的靈活性。兩種實現(xiàn)都可以覆蓋多個VR模塊，并具有相同的控制方案。實驗結果表明，與無TLVR結構的同類方案相比，兩種方案都能實現(xiàn)極快的負載瞬態(tài)響應，控制帶寬為2.56×峰電壓紋波降低62%。詳細的案例研究進一步展示了基于變壓器的具有TLVR結構的VR在解決方案尺寸和成本方面的綜合優(yōu)勢。

審核編輯：郭婷