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具有灵活TLVR结构的变压器式稳压器可实现极快的动态响应

2024-01-26 09:38:03 Xingxuan Huang、Xinyu Liang 和Chuan Shi 阅读:
本文介绍了基于变压器的稳压器,其具有跨电感稳压器结构,旨在在负载瞬态期间实现极快的响应

如今,多相稳压器(VR)发挥着越来越重要的作用,因为它们被用来为各种微处理器(例如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,例如加密货币挖矿和自动驾驶系统。因此,微处理器需要更大的电流和更高的转换速率。VR需要在负载瞬态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减少所需的输出电容并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器有利于降低系统成本。i3Jednc

本文将介绍一种基于变压器的VR解决方案,其采用跨电感稳压器(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。当将TLVR结构引入到变压器式VR解决方案时,TLVR结构的传统挑战可以迎刃而解。i3Jednc

文中将提供设计和实现细节,并通过基于实际应用的案例研究来展示综合效益。还应该指出的是,本文中的设计和实现细节目前正在申请专利。i3Jednc

TLVR结构是加速多相VR负载瞬态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电感器来取代传统多相VR中的输出电感器。TLVR电感器可以被视为具有初级绕组和次级绕组的1:1变压器。所有TLVR电感的耦合是通过连接所有TLVR电感的次级绕组来实现的。TLVR电感次级侧的电流ILC由各相的控制信号决定。由于耦合效应,一旦VR的一相占空比发生变化以响应负载瞬变,所有相的输出电流就会同时上升或下降。这就是为什么TLVR结构能够实现优异的负载瞬态性能。i3Jednc

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图1:(a)不带TLVR结构的传统多相VR电路图;(b)带TLVR结构的多相VR电路图。i3Jednc

基于变压器的VR

变压器式VR一直是各种微处理器具有竞争力的电源解决方案。变压器式VR采用降压变压器,降压比高且灵活,结构简单紧凑,效率高。与无变压器的多相VR相比,变压器式VR支持更高的输入电压,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。i3Jednc

2显示了变压器式VR的一个代表性示例的电路图。VR电路采用降压变压器,具有两个次级绕组,次级侧具有倍流器结构。可以设计更多的次级绕组来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,可以将图2中的多个典型VR电路轻松并联,而为各种高性能微处理器提供所需的电流。因此,本文将以图2所示的VR电路为例。i3Jednc

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图2:典型变压器式VR的电路图。i3Jednc

TLVR结构在变压器式VR中的优势

事实证明,TLVR结构可以在负载瞬态期间显著加速VR的动态响应,而无需任何降压变压器。然而,如此卓越的动态性能也带来了众多挑战1,2,3。由于没有任何降压变压器,这些无变压器VR通常在低占空比和对TLVR电感器初级侧和次级侧施加高电压的条件下运行。TLVR电感器次级侧的高电压会导致TLVR电感器次级侧的大循环电流以及稳态操作期间的额外功率损耗。因此,如图1b所示,应添加额外的电感器Lc以限制TLVR电感器次级绕组中的环流1。额外的电感器将进一步增加系统损耗和成本。i3Jednc

在变压器式VR中引入TLVR结构可以顺利解决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,由于耦合效应推动负载瞬变期间各相电流同时响应,因此仍然可以实现极快的动态响应。由于降压变压器的存在,施加到TLVR电感器上的电压变得更低,从而降低了电感器损耗。TLVR电感器的次级侧所需的附加电感器的电感可以低得多。事实上,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电感器和附加电感器相关的绝缘问题不再是问题。i3Jednc

具有灵活TLVR结构的变压器VR

在具有TLVR结构的变压器式VR中,电路中的所有输出电感器都被TLVR电感器取代。此外,在变压器式VR中应用TLVR结构时,可以获得两种类型的实现,这为该结构的实现提供了很大的灵活性。图3给出了两种实现方式的电路图,其中使用了图2中所示的两个VR模块并联连接的示例。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中所示的另一种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,然后再与L13和L14的次级绕组的串联连接并联。模块1中TLVR电感次级绕组的这种连接最终与模块2中的对应连接串联,如3b所示。类似地,当将两个以上变压器式VR模块并联时,可以得到图3中两种TLVR结构的实现。i3Jednc

设计和实现中增强的灵活性不会增加控制复杂性。具有TLVR结构的两种变压器式VR的实现应用了相同的控制方案。这里以三个模块并联的变压器式VR控制方案为例进行介绍。我们要在不同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2和模块3的控制信号之间也插入60°的相移。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。i3Jednc

根据所提出的控制方案,可以得出施加到所有TLVR电感器的电压。图4总结了两个模块并联的变压器式VR中所有TLVR电感器的电压波形。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。这些电感器电压波形有效地解释了图3b中串并联连接的合理性。TLVR电感器次级侧的电流Isec在主降压变压器初级侧MOSFET的4倍开关频率下具有高频纹波。当并联N(N>2)个模块时,Isec的电流纹波将处于更高的频率(2N×开关频率),并且Isec的幅度可以进一步减小。因此,所提出的相移控制方案不仅可以降低输出电压纹波,还可以有效抑制Isec纹波,从而抑制TLVR电感次级侧的传导损耗。i3Jednc

此外,具有TLVR结构的变压器式VR不需要额外的电感器。额外电感带来的额外成本和损耗也被消除,这大大有利于改善系统的效率和成本。由于变压器降压比高(n小),TLVR电感的电压会比TLVR结构的无变压器VR大幅降低。因此,无需在TLVR电感的次级侧引入额外的补偿电感Lc来抑制电流纹波。有关TLVR电感器电压的详细信息,请参见图4。在这种情况下,电路中的寄生电感和TLVR电感器的漏感在塑造TLVR电感器次级侧电流Isec方面起着至关重要的作用。为了进一步提高负载瞬态期间的动态性能,降低TLVR电感器次级侧的漏感和寄生电感非常重要。i3Jednc

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图3:具有TLVR结构的两种并联变压器式VR模块的实现方式:(a)串联;(b)串并联。i3Jednc

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图4:TLVR结构的变压器式VR模块中TLVR电感的电压和次级电流波形(两个模块并联)。i3Jednc

原型和实验结果

我们设计并构建了两种TLVR结构的变压器式VR模块的实现方式,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。两种版本的尺寸与没有TLVR结构的版本相同。也就是说,采用TLVR电感来实现TLVR结构,无论是串联还是串并联,都不会增加VR模块的尺寸。i3Jednc

具有TLVR结构的变压器式VR的极快负载瞬态性能,已通过构建的原型成功证明。实验装置由两个并行运行的VR模块组成,如图5b所示。TLVR电感的次级侧没有安装额外的电感。负载瞬态介于20A至170A之间,转换速率为125A/μs。图6所示的基线比较清楚地说明了具有TLVR结构的变压器式VR的出色负载瞬态响应,其中以串并联连接版本为例。为了公平比较,没有TLVR结构的情况是通过断开TLVR电感次级侧的连接来实现的。当负载电流从20A升至170A时,具有TLVR结构的变压器式VR可以更快地调节输出电压,并且峰峰值电压纹波要低得多。i3Jednc

TLVR结构的变压器VR经过进一步改进,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20A至170A的相同瞬态下,输出电压纹波峰峰值仅为23.7mV,这得益于TLVR结构带来的极快响应。采用TLVR结构,可使动态响应速度大幅加快,从而使输出电压纹波峰峰值降低62%。测得的115kHz高控制带宽还证明了TLVR结构实现的极快负载瞬态响应。表1总结了详细的比较。i3Jednc

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图5:(a)TLVR电感器的3D模型;(b)在演示板上并联实现的两种具有TLVR结构的变压器式VR原型。i3Jednc

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表1:具有TLVR结构和不具有TLVR结构的变压器式VR的动态响应比较。i3Jednc

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图6:具有TLVR结构和不具有TLVR结构的变压器式VR的负载瞬态响应比较。i3Jednc

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图7:具有TLVR结构的变压器式VR的极快负载瞬态响应。i3Jednc

案例分析

为了进一步展示变压器式VR与TLVR结构相结合的优势,本节根据实际应用的规范介绍了变压器式VR的案例研究。具有TLVR结构和不具有TLVR结构的变压器式VR解决方案均已经过实现和测试,可提供0.825V/540A电源轨。表2总结了详细的规格和测试结果。在具有可比较的相位裕度和增益裕度的情况下,具有TLVR结构的变压器式VR解决方案的控制带宽比没有TLVR结构的VR解决方案高出61%。这再次证明了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40.92mV,比0.825V输出电压低5%。i3Jednc

与没有TLVR结构的VR解决方案相比,具有TLVR结构的VR解决方案在节省了39%的输出电容的情况下仍然实现了低得多的峰峰值电压纹波。因此,输出电容器的数量减少了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降低43%。i3Jednc

一般来说,具有TLVR结构的变压器式VR具有极快的动态响应,从而可以有效地降低输出电容,同时在快速负载瞬变期间仍然保持低输出电压纹波。此外,具有TLVR结构的变压器式VR不需要额外的电感器。因此,采用TLVR结构的变压器式VR解决方案不仅可以显著减小总体解决方案尺寸,而且可以大幅降低解决方案成本,特别是输出电容器的成本。两种可供使用的实现方式进一步带来了极大灵活性的好处,同时并没有增加控制复杂度。i3Jednc

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图8:具有TLVR结构的变压器式VR(三个VR模块并联)在150A至350A负载瞬变下的极快负载瞬态响应。i3Jednc

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表2:基于客户规格的变压器式VR解决方案的案例研究。i3Jednc

总结

微处理器的VR解决方案需要具有加速的动态响应,因为微处理器在各种应用中会消耗更大的电流和更高的转换速率。本文介绍了具有TLVR结构的变压器式VR,以在微处理器负载瞬变期间实现极快的动态响应。通过将变压器式VR与TLVR结构相结合,可以轻松解决TLVR结构由于主变压器降压比大而面临的传统挑战。这可以显著减少TLVR电感的过多损耗,并且不需要额外的补偿电感,从而降低了损耗和成本。此外,在变压器式VR中实现TLVR结构时可以采用两种类型的实现方式,这为设计和实现提供了很大的灵活性。两种实现都可以使用相同的控制方案并行覆盖多个VR模块。实验结果证明,与没有TLVR结构的同类方案相比,这两种实现方式都能实现极快的负载瞬态响应,控制带宽提高了2.56倍,峰峰值电压纹波降低了62%。详细的案例研究进一步展示了具有TLVR结构的变压器式VR在解决方案尺寸和成本方面的综合优势。i3Jednc

参考文献

1 “Fast Multi-phase Trans-Inductor Voltage Regulator.” Technical Disclosure Commons, May 2019.i3Jednc

2 Ming Xu, Yucheng Ying, Qiang Li, and Fred C. Lee. “Novel Coupled-Inductor Multi-Phase VRs.” IEEE APEC, February 2007.i3Jednc

3 Shreyankh Krishnamurthy, David Wiest, and Yosef Zhou. “Trans-Inductor Voltage Regulator (TLVR): Circuit Operation, Power Magnetic Construction, Efficiency and Cost Trade-Offs.” PCIM Europe, May 2022.i3Jednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:Transformer-Based Voltage Regulators with Flexible TLVR Structure for Extremely Fast Dynamic Response,由Franklin Zhao编译。)i3Jednc

本文为《电子技术设计》2024年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里i3Jednc

责编:Ricardo
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