Xingxuan Huang, Xinyu Liang, and Chuan Shi
在稳压器（VR）中，对于需要高达数千安培的高电流的各种应用，非常需要极快的动态响应。本文介绍了基于变压器的VR，其跨电感稳压器（TLVR）结构旨在实现负载瞬变期间的极快响应。基于变压器的VR采用TLVR结构，克服了传统TLVR结构的缺点，具有极大的设计灵活性和极快的瞬态响应，从而减小了输出电容和解决方案尺寸，并降低了系统成本。提供了详细的实验结果和案例研究，以证明基于变压器的TLVR结构VR的综合优势。
介绍
如今，多相VR发挥着越来越重要的作用，因为它们用于为各种微处理器（如CPU，GPU和ASIC）供电。近年来，这些微处理器的电力需求急剧增加，特别是在电信和一些新兴应用中，如加密采矿和自动驾驶系统。因此，微处理器需要更高的电流和更高的压摆率。因此，VR需要在负载瞬变期间具有更快的动态响应，以满足输出电压纹波要求。从系统尺寸的角度来看，极快的动态响应对于降低所需的输出电容和缩小输出电容器的尺寸非常有吸引力。此外，更小的输出电容和更少的输出电容有利于系统成本。本文将介绍一种基于变压器的VR解决方案，该解决方案采用TLVR结构，旨在实现极快的负载瞬态响应，并大幅缩小输出电容器的尺寸和成本。在基于变压器的VR解决方案中引入TLVR结构时，可以轻松解决TLVR结构的传统挑战。
将提供设计和实施细节，并通过基于实际应用的案例研究来展示综合效益。还应该注意的是，本文中的设计和实现细节目前正在申请专利。
TLVR结构是加速多相VR负载瞬变期间动态响应的有效实现。1,2,3如图1所示，TLVR结构利用TLVR电感器取代传统多相VR中的输出电感器。TLVR电感器可以看作是具有初级绕组和次级绕组的1：1变压器。所有TLVR电感器的耦合是通过连接所有TLVR电感器的次级绕组来实现的。TLVR电感器次级侧的电流，I立法会，由所有不同相位的控制信号决定。由于耦合效应，一旦VR的一个相位的占空比发生变化以响应负载瞬变，所有相位的输出电流就可以同时上升或下降。这就是为什么TLVR结构可以实现出色的负载瞬态性能。
基于变压器的 VR
基于变压器的VR一直是各种微处理器的竞争性电源解决方案。基于变压器的VR配备降压变压器，具有降压比高而灵活的功能，结构简单紧凑，效率高。与无变压器多相VR相比，基于变压器的VR允许更高的输入电压，从而为简化VR设计和实现更高的效率打开了一个全新的世界。
图2显示了基于变压器的VR的一个代表性示例的电路图。VR电路具有一个带两个次级绕组的降压变压器，次级侧具有倍流器结构。可以设计更多的次级绕组以实现更高的输出电流和功率密度，并且次级侧不需要额外的控制信号。通过适当的控制电路和策略，图2中的多个示例VR电路可以很容易地并联，为各种高性能微处理器提供所需的电流。因此，本文通篇以图2所示的VR电路为例。
图1.（a） 没有TLVR结构的传统多相VR的电路图和（b）具有TLVR结构的多相VR的电路图。
图2.一个基于变压器的VR示例的电路图。
TLVR结构在基于变压器的VR中的优势
结果表明，TLVR结构在负载瞬变期间无需降压变压器即可显著加快VR的动态响应。然而，这种卓越的动态性能伴随着许多挑战。1,2,3在没有任何降压变压器的情况下，这些无变压器VR通常在TLVR电感器的初级侧和次级侧均以低占空比和高电压运行。TLVR电感器次级侧的高电压秒会导致TLVR电感器次级侧的高环流，并在稳态操作期间增加功率损耗。因此，如图1b所示，增加了一个电感Lc应添加以限制TLVR电感器次级绕组中的环流。1额外的电感进一步增加了系统损耗和成本。
在基于变压器的VR中引入TLVR结构时，可以顺利解决TLVR结构带来的挑战。通过将TLVR结构与降压变压器相结合，由于主变压器的高降压比，TLVR结构的缺点变得不那么明显。同时，由于耦合效应推动所有相的电流在负载瞬变期间同时响应，仍然可以实现极快的动态响应。由于采用了降压变压器，施加到TLVR电感器的电压变得低得多，从而降低了电感损耗。TLVR电感器次级侧所需的附加电感的电感可以低得多。实际上，通过利用寄生电感，可以消除额外的电感，以及电感带来的额外损耗和成本。此外，与TLVR电感器和附加电感相关的绝缘问题不再是问题。
基于变压器的VR，具有灵活的TLVR结构
在采用TLVR结构的基于变压器的VR中，电路中的所有输出电感器都由TLVR电感器取代。此外，在基于变压器的VR中应用TLVR结构时，可以实现两种类型的实现，这在实现这种结构时提供了极大的灵活性。图3以图2所示的两个并联VR模块为例，显示了两种实现方式的电路图。图3a中的实现称为串联连接，因为TLVR电感器的所有次级绕组都是串联连接的。图3b所示的其他实现称为串并联连接。在模块1中，L11和L12的次级绕组先串联连接，然后再与L13和L14次级绕组的串联连接并联。模块1中TLVR电感器的次级绕组的这种连接最终与模块2中的对应连接串联，如图3b所示。同样，当两个以上基于变压器的VR模块并联时，可以实现图3中TLVR结构的两个实现。
设计和实施灵活性的增强不会增加控制复杂性。基于变压器的TLVR结构VR的两种实现应用了相同的控制方案。本文以基于变压器的三个模块并联的VR控制方案为例进行介绍。在不同VR模块的控制信号之间插入相移。模块 1 和模块 2 之间插入的相移为 60°，模块 60 和模块 2 的控制信号之间插入的相移为 3°。如果有N个模块并联，则两个相邻模块之间插入的相移为180°/N。
基于所提出的控制方案，可以推导出施加到所有TLVR电感器的电压。图4总结了基于变压器的VR中所有TLVR电感器的电压波形，其中两个模块并联连接。由于图3中的两种实现方式具有相同的控制信号，因此电感电压波形也相同。还可以观察到L11和L13具有相同的电压波形，L12和L14也是如此。这些电感电压波形有效地解释了为什么图3b中的串并联连接是合法的。TLVR电感器次级侧的电流，I秒，在主降压变压器初级侧的 MOSFET 开关频率为 4× 时具有高频纹波。用N（N>2）个模块并联连接，电流纹波为I秒将在更高的频率（×开关频率2N），幅度为I秒可以进一步减少。因此，所提出的相移控制方案不仅可以降低输出电压纹波，而且可以有效抑制I的纹波。秒，从而降低TLVR电感器次级侧的传导损耗。
此外，在采用TLVR结构的基于变压器的VR中不需要额外的电感器。此外，还消除了附加电感带来的额外成本和损耗，这大大有利于系统的效率和成本。由于变压器降压比高（小n），与采用TLVR结构的无变压器VR相比，TLVR电感器的电压大大降低。因此，无需引入额外的补偿电感器Lc在TLVR电感器的次级侧，以抑制电流纹波。有关TLVR电感电压的详细信息如图4所示。在这种情况下，电路中的寄生电感和TLVR电感的漏感在整形TLVR电感器次级侧的电流中起着关键作用，I秒.为了进一步改善负载瞬变期间的动态性能，降低TLVR电感器次级侧的漏感和寄生电感非常重要。
图3.两个具有TLVR结构的基于并联变压器的VR模块的两种实现：（a）串联连接和（b）串并联连接。
图4.基于变压器的TLVR结构VR模块（两个模块并联）中TLVR电感器的电压和次级电流波形。
原型和实验结果
设计和构建了基于变压器的TLVR结构VR模块的两种实现方案，包括串联版本和串并联版本。图5a显示了典型TLVR电感器的3D模型。构建的模块原型如图 5b 所示。两个版本都具有与没有TLVR结构的对应版本相同的大小。换句话说，采用TLVR电感器来实现TLVR结构，无论实现串联还是串并联连接，都不会增加VR模块尺寸。
基于变压器的TLVR结构VR的极快负载瞬态性能已经通过构建的原型成功证明。实验设置由两个并行运行的VR模块组成，如图5b所示。TLVR电感器的次级侧没有安装额外的电感器。负载瞬态介于20 A至170 A之间，压摆率为125 A/μs。基于变压器的TLVR结构VR的出色负载瞬态响应在图6所示的基线比较中得到了清晰的说明，其中以串并联版本为例。为了进行公平的比较，没有TLVR结构的情况是通过断开TLVR电感器次级侧的连接来实现的。当负载电流从20 A上升到170 A时，基于变压器的TLVR结构VR可以更快地调节输出电压，峰峰值电压纹波要低得多。
经过进一步改进后，在基于变压器的TLVR结构VR中实现了极快的负载瞬态响应。详细的瞬态波形如图7所示。在20 A至170 A的相同瞬态下，峰峰值输出电压纹波仅为23.7 mV，这要归功于TLVR结构带来的极快响应。采用TLVR结构可显著加快动态响应，从而将峰峰值输出电压纹波降低62%。测得的115 kHz高控制带宽也证明了TLVR结构可实现极快的负载瞬态响应。表1总结了详细的比较。
图5.（a） TLVR 电感器的 3D 模型和 （b） 两个基于变压器的 VR 原型，在演示板上并联 TLVR 结构。
结构 具有TLVR结构 无TLVR结构 输出电容 15.2 毫频 15.2 毫频 电压纹波（峰峰值） 23.7毫伏 62毫伏 控制带宽 115千赫 45千赫 相位裕量 69 40.7°
图6.基于变压器的VR的TLVR结构和无TLVR结构的负载瞬态响应比较。
图7.基于变压器的VR具有TLVR结构的极快负载瞬态响应。
个案研究
为了进一步展示基于变压器的VR与TLVR结构相结合的好处，本节介绍了基于实际应用规范的基于变压器的VR的案例研究。两种基于变压器的VR解决方案（带和不带TLVR结构）都经过实施和测试，可提供0.825 V/540 A电源轨。规格和测试结果的详细信息总结在表2中。基于变压器的TLVR结构VR解决方案具有相当的相位裕量和增益裕量，其控制带宽比不采用TLVR结构的VR解决方案高61%。因此，再次演示了TLVR结构实现的极快瞬态，如图8所示。峰峰值输出电压纹波仅为40.92 mV，低于5.0 V输出电压的825%。
在节省39%的输出电容的情况下，与没有TLVR结构的VR解决方案相比，采用TLVR结构的VR解决方案仍实现了低得多的峰峰值电压纹波。因此，输出电容的数量减少了27%，从而大大减小了系统解决方案的尺寸。此外，由于TLVR结构实现了极快的瞬态响应，输出电容器的成本可以降低43%。
通常，基于变压器的具有TLVR结构的VR具有极快的动态响应，可以有效降低输出电容，同时在快速负载瞬变期间仍保持低输出电压纹波。此外，在采用TLVR结构的基于变压器的VR中不需要额外的电感器。因此，基于变压器的TLVR结构VR解决方案不仅可以显著减小整体解决方案尺寸，还可以大幅降低解决方案成本，尤其是输出电容器的成本。两种可用的实现方案进一步带来了极大的灵活性，同时控制复杂性不会增加。
图8.基于变压器的 VR 的极快负载瞬态响应，具有 TLVR 结构，负载瞬态为 150 A 至 350 A（三个 VR 模块并联）。
结构 具有TLVR结构的VR解决方案 没有TLVR结构的VR解决方案 输出电流 540 安培 540 安培 输出电压 0.825 伏 0.825 伏 VR 模块数量 三个并行 三个并行 开关频率 550千赫 550千赫 电压纹波（峰峰值） 40.92毫伏 61.15毫伏 控制带宽 55千赫 34.2千赫 相位裕量/增益裕量 78.8°/9.9分贝 65.5°/10.4分贝 总输出电容 24.88 毫频 40.92 毫频 输出电容器数量 74 101 输出电容器的成本 $9.50 $16.75总结
微处理器的VR解决方案需要具有更快的动态响应，因为微处理器在广泛的应用中消耗更高的电流和更高的压摆率。本文介绍了基于变压器的具有TLVR结构的VR，以实现微处理器负载瞬变期间的极快动态响应。通过将基于变压器的VR与TLVR结构相结合，由于主变压器的降压比大，可以轻松解决TLVR结构的传统挑战。TLVR电感的过度损耗可以显著降低，并且不需要额外的补偿电感，从而降低损耗和成本。此外，在基于变压器的VR中实现TLVR结构时，可以采用两种类型的实现方式，这在设计和实现上提供了极大的灵活性。两种实现都可以覆盖多个VR模块，并具有相同的控制方案。实验结果表明，与无TLVR结构的同类方案相比，两种方案都能实现极快的负载瞬态响应，控制带宽为2.56×峰电压纹波降低62%。详细的案例研究进一步展示了基于变压器的具有TLVR结构的VR在解决方案尺寸和成本方面的综合优势。
审核编辑：郭婷
