【導讀】對於需要數千安培大電流的應用來說，具有極快動態響應的穩壓器(VR)是非常合宜的。本文介紹基於變壓器的穩壓器
，其采用跨電感電壓調節器(TLVR)結構
，設計用於在負載瞬變期間實現極快響應。采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器克服了傳統TLVR結(jie)構(gou)的(de)缺(que)點(dian)，提(ti)供(gong)很(hen)大(da)的(de)設(she)計(ji)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)極(ji)快(kuai)的(de)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)，因(yin)而(er)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)和(he)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)尺(chi)寸(cun)更(geng)小(xiao)，係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)更(geng)低(di)。文(wen)中(zhong)提(ti)供(gong)了(le)詳(xiang)細(xi)的(de)實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)和(he)案(an)例(li)研(yan)究(jiu)

，以(yi)展(zhan)示(shi)采(cai)用(yong)TLVR結構的基於變壓器的穩壓器具備的綜合優勢。

簡介

如今

，隨著多相穩壓器用於為CPU、GPU、ASICdenggezhongweichuliqigongdian，qizhongyaoxingyurijuzeng。jinnianlai，zhexieweichuliqidegonglvxuqiuyizhizaijijuzengjia，tebieshizaidianxinheyixiexinxingyingyongzhong，rujiamihuobiwakuanghezidongjiashixitong。yinci，weichuliqixuyaogenggaobailvdegengdadianliu。zhejiuyaoqiuwenyaqizaifuzaishunbianqijianjuyougengkuaidedongtaixiangying

，yimanzushuchudianyawenboyaoqiu。congxitongchicundejiaodulaikan

，jikuaidedongtaixiangyingkejianxiaosuoxudeshuchudianrongbingsuoxiaoshuchudianrongdechicun

，yinerfeichangyouxiyinli。ciwai，gengxiaoqiegengshaodeshuchudianrongyouliyujiangdixitongchengben。benwenjiangjieshaoyizhongjiyubianyaqidewenyaqijiejuefangan
，tacaiyongTLVR結構，旨在實現極快的負載瞬態響應，並大幅縮減輸出電容的尺寸和成本。在基於變壓器的穩壓器解決方案中引入TLVR結構後
，TLVR結構的傳統挑戰可以很容易地解決。

本(ben)文(wen)將(jiang)詳(xiang)細(xi)說(shuo)明(ming)如(ru)何(he)設(she)計(ji)和(he)實(shi)現(xian)，並(bing)通(tong)過(guo)基(ji)於(yu)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)的(de)案(an)例(li)研(yan)究(jiu)展(zhan)示(shi)其(qi)綜(zong)合(he)優(you)勢(shi)。還(hai)應(ying)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，本(ben)文(wen)中(zhong)的(de)設(she)計(ji)和(he)實(shi)現(xian)細(xi)節(jie)目(mu)前(qian)正(zheng)在(zai)申(shen)請(qing)專(zhuan)利(li)。

TLVR結構能夠有效加速多相穩壓器負載瞬變期間的動態響應1,2,3。如圖1所示
，TLVR結構用TLVR電感取代了傳統多相穩壓器中的輸出電感。TLVR電感可以被視為一個1:1變壓器
，它具有一個初級繞組和一個次級繞組。所有TLVR電感的耦合是通過連接所有TLVR電感的次級繞組來實現的。TLVR電感副邊的電流I_LC由(you)所(suo)有(you)不(bu)同(tong)相(xiang)位(wei)的(de)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)決(jue)定(ding)。由(you)於(yu)耦(ou)合(he)效(xiao)應(ying)，一(yi)旦(dan)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)一(yi)個(ge)相(xiang)位(wei)的(de)占(zhan)空(kong)比(bi)改(gai)變(bian)以(yi)響(xiang)應(ying)負(fu)載(zai)瞬(shun)變(bian)，那(na)麼(me)所(suo)有(you)相(xiang)位(wei)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)斜(xie)坡(po)上(shang)升(sheng)或(huo)下(xia)降(jiang)。這(zhe)就(jiu)是(shi)TLVR結構能夠實現出色負載瞬變性能的原因。

基於變壓器的穩壓器

基(ji)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)一(yi)直(zhi)是(shi)各(ge)種(zhong)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)的(de)有(you)競(jing)爭(zheng)力(li)的(de)電(dian)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。基(ji)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)配(pei)備(bei)了(le)降(jiang)壓(ya)變(bian)壓(ya)器(qi)，具(ju)有(you)很(hen)高(gao)且(qie)靈(ling)活(huo)的(de)降(jiang)壓(ya)比(bi)、jiandanjincoudejiegouhegaoxiaolv。yuwubianyaqideduoxiangwenyaqixiangbi，jiyubianyaqidewenyaqiyunxugenggaodeshurudianya，congerweijianhuawenyaqishejiheshixiangenggaoxiaolvkaipileyigequanxindeshijie。

圖2xianshilejiyubianyaqidewenyaqideyigedaibiaoxingshilidedianlutu。gaiwenyaqidianlujuyouyigejiangyabianyaqi，qifubianshangyoulianggecijiraozuheyigedianliubeizengqijiegou。keyishejigengduodecijiraozulaishixiangenggaodeshuchudianliuhegonglvmidu，bingqiefubianshangbuxuyaoewaidekongzhixinhao。tongguoshidangdekongzhidianluhecelve，tu2中的多個示例穩壓器電路可以很容易地並聯起來，以便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所示的穩壓器電路為例。

圖1.(a)無TLVR結構的傳統多相穩壓器的電路圖，(b)采用TLVR結構的多相穩壓器的電路圖

圖2.一個基於變壓器的穩壓器示例的電路圖

TLVR結構在基於變壓器的穩壓器中的優勢

TLVR結(jie)構(gou)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)加(jia)速(su)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)降(jiang)壓(ya)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)在(zai)負(fu)載(zai)瞬(shun)變(bian)期(qi)間(jian)的(de)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)，這(zhe)點(dian)已(yi)經(jing)得(de)到(dao)了(le)很(hen)好(hao)的(de)證(zheng)明(ming)。然(ran)而(er)
，這(zhe)種(zhong)出(chu)色(se)的(de)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)伴(ban)隨(sui)著(zhe)許(xu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan)^1,2,3。在沒有任何降壓變壓器的情況下，無變壓器穩壓器通常以低占空比工作，TLVR電感的原邊和副邊均施加高電壓。TLVR電感副邊的高伏秒導致TLVR電感副邊存在高環流，並在穩態工作期間產生額外的功率損耗。因此，如圖1b所示
，應添加電感LC以限製TLVR電感次級繞組中的環流¹。額外的電感會進一步增加係統損耗和成本。

在基於變壓器的穩壓器中引入TLVR結構後
，TLVR結構帶來的挑戰可以順利化解。TLVR結構與降壓變壓器相結合時，由於主變壓器的高降壓比，TLVR結jie構gou的de缺que點dian變bian得de不bu那na麼me明ming顯xian。同tong時shi

，耦ou合he效xiao應ying推tui動dong所suo有you相xiang位wei的de電dian流liu在zai負fu載zai瞬shun變bian期qi間jian同tong步bu響xiang應ying
，因yin此ci仍reng然ran可ke以yi實shi現xian極ji快kuai的de動dong態tai響xiang應ying。由you於yu降jiang壓ya變bian壓ya器qi
，施shi加jia到daoTLVR電感的電壓變得更低
，從而降低電感損耗。TLVR電(dian)感(gan)副(fu)邊(bian)所(suo)需(xu)的(de)附(fu)加(jia)電(dian)感(gan)可(ke)以(yi)低(di)得(de)多(duo)。事(shi)實(shi)上(shang)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)來(lai)消(xiao)除(chu)附(fu)加(jia)電(dian)感(gan)，這(zhe)樣(yang)附(fu)加(jia)電(dian)感(gan)帶(dai)來(lai)的(de)額(e)外(wai)損(sun)耗(hao)和(he)成(cheng)本(ben)也(ye)就(jiu)不(bu)存(cun)在(zai)。此(ci)外(wai)，與(yu)TLVR電感和附加電感相關的絕緣問題也不再是問題。

采用靈活TLVR結構的基於變壓器的穩壓器

在采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器中
，電路中的所有輸出電感都被TLVR電感取代。此外，當在基於變壓器的穩壓器中應用TLVR結構時
，有兩類方案可以實現，這為此結構的實施提供了很大的靈活性。圖3以圖2所示的兩個並聯穩壓器模塊為例
，顯示了這兩類實現的電路圖。圖3a中的實現稱為串聯連接，因為TLVR電感的所有次級繞組都是串聯。圖3b所示的另一種實現稱為串並聯連接。在模塊1中

，L11和L12的次級繞組串聯連接
，然後與串聯連接的L13和L14的次級繞組並聯。模塊1中TLVR電感次級繞組的這種連接最終與模塊2中的對應連接串聯
，如圖3b所示。類似地
，當兩個以上的基於變壓器的穩壓器模塊並聯連接時
，可以將圖3所示的TLVR結構實現兩次。

設計和實現上增強的靈活性並不會增加控製的複雜性。采用TLVR結jie構gou的de基ji於yu變bian壓ya器qi的de穩wen壓ya器qi的de兩liang種zhong實shi現xian采cai用yong相xiang同tong的de控kong製zhi方fang案an。這zhe裏li以yi三san個ge模mo塊kuai並bing聯lian的de基ji於yu變bian壓ya器qi的de穩wen壓ya器qi為wei例li來lai介jie紹shao控kong製zhi方fang案an。在zai不bu同tong穩wen壓ya器qi模mo塊kuai的de控kong製zhi信xin號hao之zhi間jian插cha入ru相xiang移yi。模mo塊kuai1和模塊2之間插入的相移為60°，模塊2和模塊3的控製信號之間插入60°的相移。如果有N個模塊並聯
，則兩個相鄰模塊之間插入的相移為180°/N。

基於所提出的控製方案，可以推導出施加到所有TLVR電感的電壓。圖4總結了兩個模塊並聯的基於變壓器的穩壓器中所有TLVR電感的電壓波形。由於圖3中的兩種實施方式具有相同的控製信號

，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麼圖3b中的串並聯連接是合法的。TLVR電感副邊的電流I_sec具有高頻紋波，其頻率為主降壓變壓器原邊中的MOSFET開關頻率的4倍。當N (N > 2)個模塊並聯時，I_sec的電流紋波將處於更高的頻率（2N×開關頻率），並且I_sec的幅度可能進一步降低。因此，所提出的相移控製方案不僅能夠減小輸出電壓紋波

，而且可以有效抑製I_sec的紋波，從而降低TLVR電感副邊的傳導損耗。

此外，采用TLVR結(jie)構(gou)的(de)基(ji)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)中(zhong)不(bu)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)電(dian)感(gan)。與(yu)額(e)外(wai)電(dian)感(gan)相(xiang)關(guan)的(de)額(e)外(wai)成(cheng)本(ben)和(he)損(sun)耗(hao)也(ye)就(jiu)不(bu)存(cun)在(zai)
，因(yin)此(ci)係(xi)統(tong)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)成(cheng)本(ben)大(da)大(da)受(shou)益(yi)。由(you)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)降(jiang)壓(ya)比(bi)很(hen)高(gao)（n很小），因此與采用TLVR結構的無變壓器穩壓器相比
，TLVR電感的電壓顯著降低。所以，沒有必要在TLVR電感的副邊引入額外補償電感L_c來抑製電流紋波。有關TLVR電感電壓的詳細信息可參見圖4。在這種情況下，電路中的寄生電感和TLVR電感的漏感在TLVR電感副邊的電流(I_sec)整形中起著關鍵作用。為了進一步提高負載瞬變期間的動態性能，降低TLVR電感副邊的漏感和寄生電感很重要。

圖3.兩個並聯的采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器模塊的兩種實現：(a)串聯連接，(b)串並聯連接

圖4.采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器模塊（兩個模塊並聯）中TLVR電感的電壓和次級電流波形

原型和實驗結果

我們設計並構建了采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器模塊的兩種實現方案，包括串聯版本和串並聯版本。圖5a顯示了典型TLVR電感的3D模型。構建的模塊原型參見圖5b。兩個版本的尺寸與無TLVR結構的版本相同。換句話說
，無論實施串聯連接還是串並聯連接
，采用TLVR電感以實現TLVR結構都不會增加穩壓器模塊的尺寸。

使用所構建的原型成功展示了采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器的極快負載瞬變性能。實驗設置由兩個並聯運行的穩壓器模塊組成
，如圖5b所示。TLVR電感的副邊沒有安裝額外電感。負載瞬變在20 A至170 A之間，擺率為125 A/µs。圖6所示的基線比較以串並聯版本為例，清楚地展示了采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器的出色負載瞬變響應。為了進行公平比較，無TLVR結構的情況是通過斷開TLVR電感副邊連接來實現的。當負載電流從20 A上升到170 A時
，采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器可以更快速地調節輸出電壓，峰峰值電壓紋波要低得多。

經過進一步改進，采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器可實現極快的負載瞬變響應。詳細的瞬變波形如圖7所示。在從20 A到170 A的相同瞬變下，得益於TLVR結構帶來的極快響應
，峰峰值輸出電壓紋波僅為23.7 mV。采用TLVR結構大大加快了動態響應，峰峰值輸出電壓紋波因此降低62%。測得的115 kHz的高控製帶寬也證明了TLVR結構能夠實現極快的負載瞬變響應。詳細比較總結在表1中。

圖5.(a) TLVR電感的3D模型

，(b)采用TLVR結構的兩個基於變壓器的穩壓器原型在演示板上並聯

表1.采用TLVR結構和無TLVR結構的基於變壓器的穩壓器的動態響應比較

圖6.采用TLVR結構和無TLVR結構的基於變壓器的穩壓器的負載瞬變響應比較

圖7.采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器的極快負載瞬變響應

案例研究

為了進一步展示將基於變壓器的穩壓器與TLVR結構相結合的優勢
，本節介紹一個基於變壓器的穩壓器的案例研究，其規格要求來自實際應用。采用和不采用TLVR結構的兩種基於變壓器的穩壓器解決方案都進行了實現和測試，以提供0.825 V/540 A供電軌。規格和測試結果的詳情總結在表2中。在相位裕量和增益裕量相當的情況下

，采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器解決方案實現了比不采用TLVR結構的穩壓器解決方案高61%的控製帶寬。因此，這再次證明了TLVR結構支持極快的瞬變，如圖8所示。峰峰值輸出電壓紋波僅為40.92 mV，比0.825 V輸出電壓的5%還低。

與不采用TLVR結構的穩壓器解決方案相比
，采用TLVR結構的穩壓器解決方案節省了39%的輸出電容，但仍實現了低得多的峰峰值電壓紋波。因此，輸出電容數量減少27%，導致係統解決方案尺寸大大減小。此外，由於TLVR結構支持極快的瞬變響應
，輸出電容的成本可以減少43%。

一般來說，采用TLVR結(jie)構(gou)的(de)基(ji)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)具(ju)有(you)極(ji)快(kuai)的(de)動(dong)態(tai)響(xiang)應(ying)

，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)減(jian)小(xiao)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)，同(tong)時(shi)在(zai)快(kuai)速(su)負(fu)載(zai)瞬(shun)變(bian)期(qi)間(jian)仍(reng)能(neng)保(bao)持(chi)低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)。另(ling)外(wai)
，采(cai)用(yong)TLVR結構的基於變壓器的穩壓器中不需要額外的電感。因此
，采用TLVR結(jie)構(gou)的(de)基(ji)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)穩(wen)壓(ya)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)減(jian)小(xiao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)總(zong)體(ti)尺(chi)寸(cun)
，還(hai)能(neng)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)成(cheng)本(ben)，尤(you)其(qi)是(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)成(cheng)本(ben)。兩(liang)種(zhong)可(ke)用(yong)實(shi)現(xian)方(fang)案(an)進(jin)一(yi)步(bu)帶(dai)來(lai)了(le)很(hen)大(da)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，同(tong)時(shi)控(kong)製(zhi)複(fu)雜(za)性(xing)並(bing)未(wei)增(zeng)加(jia)。

圖8.采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器在150 A至350 A負載瞬變下的極快負載瞬變響應（三個穩壓器模塊並聯）

表2.基於變壓器的穩壓器解決方案案例研究，規格來自客戶

結語

在廣泛的應用中，微處理器消耗更高擺率的更大電流
，因此微處理器的穩壓器解決方案需要具有更快的動態響應。本文介紹了采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器
，它能在微處理器的負載瞬變期間實現極快的動態響應。通過將基於變壓器的穩壓器與TLVR結構相結合

，由於主變壓器的降壓比很大
，TLVR結構的傳統挑戰可以很容易地解決。TLVR電感的過大損耗可以顯著降低
，並且不需要額外的補償電感
，因而損耗和成本更低。此外，當在基於變壓器的穩壓器中實現TLVRjiegoushi，youliangleifangankeyicaiyong，zheweishejiheshixiantigonglehendadelinghuoxing。zheliangzhongshixianfangankeyishiyongxiangtongdekongzhifanganlaikongzhixuduobingliandewenyaqimokuai。shiyanjieguozhengming，yuwuTLVR結構的穩壓器相比，這兩種實現方案都能實現極快的負載瞬變響應，控製帶寬高2.56倍，峰峰值電壓紋波低62%。一個詳細的案例研究進一步展示了采用TLVR結構的基於變壓器的穩壓器在解決方案尺寸和成本方麵的綜合優勢。

參考電路

¹ “快速多相跨電感電壓調節器” 。Technical Disclosure Commons，2019年5月。

² Ming Xu、Yucheng Ying、Qiang Li和Fred C. Lee。 “新型耦合電感多相穩壓器” 。IEEE APEC，2007年2月。

³ Shreyankh Krishnamurthy、David Wiest和Yosef Zhou。 “跨電感電壓調節器(TLVR)：電路運行、功率磁結構、效率和成本的權衡” 。PCIM Europe，2022年5月。

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