【導(dǎo)讀】TLVR 結(jié)構(gòu)是一種有效的實(shí)現(xiàn)方式，可在多相 VR 的負(fù)載瞬變期間加速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
TLVR 結(jié)構(gòu)
TLVR 結(jié)構(gòu)是一種有效的實(shí)現(xiàn)方式，可在多相 VR 的負(fù)載瞬變期間加速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
如圖 1 所示，TLVR 結(jié)構(gòu)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(jí)和次級(jí)繞組的 1：1 變壓器。所有 TLVR 電感器都通過連接所有 TLVR 電感器的次級(jí)繞組進(jìn)行耦合。TLVR 電感器次級(jí)側(cè)的電流 I立法會(huì)，由所有不同相位的控制信號(hào)決定。由于耦合效應(yīng)，一旦 VR 的一相的占空比發(fā)生變化以響應(yīng)負(fù)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(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)出色的負(fù)載瞬態(tài)性能。
圖 1.（a） 沒有 TLVR 結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多相 VR 的電路圖和 （b） 有 TLVR 結(jié)構(gòu)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(jìng)爭(zhēng)力的電源解決方案。基于變壓器的 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(jié)構(gòu)、高效率等特點(diǎn)。與無變壓器多相 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(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更高的效率開辟了一個(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(jí)繞組的降壓變壓器，次級(jí)側(cè)有一個(gè)電流倍增器結(jié)構(gòu)。可以設(shè)計(jì)更多的次級(jí)繞組以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流和功率密度，并且次級(jí)側(cè)不需要額外的控制信號(hào)。通過適當(dāng)?shù)目刂齐娐泛筒呗裕瑘D 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(jié)構(gòu)在基于 Transformer 的 VR 中的優(yōu)勢(shì)
TLVR 結(jié)構(gòu)可以顯著加速 VR 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在負(fù)載瞬變期間無需任何降壓變壓器。然而，這種卓越的動(dòng)態(tài)性能伴隨著許多挑戰(zhàn)。無需任何降壓變壓器，這些無變壓器 VR 通常在 TLVR 電感器的初級(jí)和次級(jí)側(cè)以低占空比和高電壓工作。TLVR 電感器次級(jí)側(cè)的高電壓秒級(jí)導(dǎo)致 TLVR 電感器次級(jí)側(cè)產(chǎn)生高循環(huán)電流，并在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間產(chǎn)生額外的功率損耗。如圖 1b 所示，應(yīng)增加一個(gè)額外的電感器 Lc 以限制 TLVR 電感器次級(jí)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(tǒng)損耗和成本。
在基于 transformer 的 VR 中引入 TLVR 結(jié)構(gòu)時(shí)，可以順利解決 TLVR 結(jié)構(gòu)帶來的挑戰(zhàn)。通過將 TLVR 結(jié)構(gòu)與降壓變壓器相結(jié)合，由于主變壓器的高降壓比，TLVR 結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)變得不那么明顯。同時(shí)，仍然可以實(shí)現(xiàn)極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因?yàn)轳詈闲?yīng)推動(dòng)所有相的電流在負(fù)載瞬態(tài)期間同時(shí)響應(yīng)。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(jí)側(cè)所需的附加電感器的電感值可以低得多。事實(shí)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)的絕緣問題不再是一個(gè)問題。
具有靈活 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于 Transformer 的 VR
在具有 TLVR 結(jié)構(gòu)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(yīng)用 TLVR 結(jié)構(gòu)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)兩種類型的實(shí)現(xiàn)，這在實(shí)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)時(shí)提供了極大的靈活性。圖 3 顯示了兩種實(shí)現(xiàn)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(xiàn)稱為串聯(lián)，因?yàn)?TLVR 電感器的所有次級(jí)繞組都是串聯(lián)的。圖 3b 所示的另一種實(shí)現(xiàn)稱為 串-并行連接。在模塊 1 中，L11 和 L12 的次級(jí)繞組在與 L13 和 L14 的次級(jí)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(jí)繞組的這種連接終與模塊 2 中的對(duì)應(yīng)連接串聯(lián)，如圖 3b 所示。同樣，當(dāng)兩個(gè)以上基于 transformer 的 VR 模塊并聯(lián)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)圖 3 中具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的兩個(gè)實(shí)現(xiàn)。
設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中增強(qiáng)的靈活性不會(huì)增加控制復(fù)雜性。相同的控制方案適用于具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于 transformer 的 VR 的兩種實(shí)現(xiàn)。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(hào)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(hào)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(jù)建議的控制方案得出。圖 4 總結(jié)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 中的兩種類型的實(shí)現(xiàn)具有相同的控制信號(hào)，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 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(jí)側(cè)的電流 I秒，在主降壓變壓器初級(jí)側(cè)的 MOSFET 開關(guān)頻率為 4× 時(shí)具有高頻紋波。當(dāng) 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(jí)側(cè)的傳導(dǎo)損耗。
圖 3.兩個(gè)基于 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于并聯(lián)變壓器的 VR 模塊的兩種實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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的額外成本和損耗，大大提高了系統(tǒng)的效率和成本。由于變壓器降壓比高（小 n），與采用 TLVR 結(jié)構(gòu)的無變壓器 VR 相比，TLVR 電感器的電壓顯著降低。因此，無需在 TLVR 電感的次級(jí)側(cè)引入額外的補(bǔ)償電感 Lc 來抑制電流紋波。有關(guān) TLVR 電感電壓的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見圖 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(jí)側(cè)的電流 I 中起著關(guān)鍵作用秒.為了進(jìn)一步改善負(fù)載瞬態(tài)期間的動(dòng)態(tài)性能，降低 TLVR 電感器次級(jí)側(cè)的漏感和寄生電感非常重要。
圖 4.具有 TLVR 結(jié)構(gòu)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(jí)電流波形。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
原型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
設(shè)計(jì)和構(gòu)建了具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于 transformer 的 VR 模塊的兩種實(shí)現(xiàn)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(gòu)建的模塊原型如圖 5b 所示。兩個(gè)版本的大小與沒有 TLVR 結(jié)構(gòu)的版本相同。換句話說，采用 TLVR 電感器來實(shí)現(xiàn) TLVR 結(jié)構(gòu)，無論是串聯(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(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 的極快負(fù)載瞬態(tài)性能已在構(gòu)建的原型中成功證明。實(shí)驗(yàn)裝置由兩個(gè)并行運(yùn)行的 VR 模塊組成，如圖 5b 所示。TLVR 電感器的次級(jí)側(cè)沒有安裝額外的電感器。負(fù)載瞬態(tài)介于 20 A 和 170 A 之間，轉(zhuǎn)換速率為 125 A/μs。圖 6 所示的基線比較清楚地說明了具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 具有出色的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，其中以串并聯(lián)連接版本為例。為了公平地進(jìn)行比較，沒有 TLVR 結(jié)構(gòu)的情況是通過斷開 TLVR 電感器次級(jí)側(cè)的連接來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)負(fù)載電流從 20 A 上升到 170 A 時(shí)，采用 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 可以快速調(diào)節(jié)輸出電壓，峰峰值電壓紋波要低得多。
經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，采用 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 實(shí)現(xiàn)了極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。詳細(xì)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(jié)構(gòu)帶來的極快響應(yīng)，峰峰值輸出電壓紋波僅為 23.7 mV。采用 TLVR 結(jié)構(gòu)大幅加速了動(dòng)態(tài)響應(yīng)，峰峰值輸出電壓紋波降低了 62%。測(cè)得的 115 kHz 高控制帶寬也證明了 TLVR 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。表 1 總結(jié)了詳細(xì)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(jié)構(gòu)在演示板上并聯(lián)。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
表 1.具有 TLVR 結(jié)構(gòu)和無 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于 transformer 的 VR 之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較。
結(jié)構(gòu)采用 TLVR 結(jié)構(gòu)無 TLVR 結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)和無 TLVR 結(jié)構(gòu)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較。圖片由 Bodo's Power Systems 提供
圖 7.具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 的極快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。圖片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
基于變壓器的穩(wěn)壓器研究
為了進(jìn)一步展示基于 transformer 的 VR 與 TLVR 結(jié)構(gòu)相結(jié)合的好處，本節(jié)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的規(guī)范介紹了基于 transformer 的 VR 研究。實(shí)施和測(cè)試了帶和不帶 TLVR 結(jié)構(gòu)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(jié)了規(guī)格和測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)信息。具有相當(dāng)?shù)南辔辉Ａ亢驮鲆嬖Ａ浚捎?TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 解決方案比沒有 TLVR 結(jié)構(gòu)的 VR 解決方案實(shí)現(xiàn)了 61% 的控制帶寬。因此，再次證明了 TLVR 結(jié)構(gòu)實(shí)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 0.825 V 輸出電壓的 5%。
在節(jié)省 39% 的輸出電容后，與沒有 TLVR 結(jié)構(gòu)的 VR 解決方案相比，采用 TLVR 結(jié)構(gòu)的 VR 解決方案仍然實(shí)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。由于 TLVR 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了快速瞬態(tài)響應(yīng)，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(yīng)的 TLVR 結(jié)構(gòu)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(fù)載瞬變期間保持低輸出電壓紋波。此外，在具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 中不需要額外的電感器。因此，具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 解決方案可以顯著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)一步帶來了極大的靈活性;同時(shí)，控制復(fù)雜性不會(huì)增加。
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