【導讀】隨著設計需求越來越具有挑戰(zhàn)性，尤其是在數(shù)據(jù)中心和AI等低電壓、大電流應用領域，電壓調節(jié)器(VRS)的性能改進非常重要。一種可能的性能改進是使用耦合電感[1-4]，但最近業(yè)界提出了一種類似的方法，那就是跨電感電壓調節(jié)器(TLVR) [5-7]。 TLVR的原理圖來自耦合電感模型，但物理行為不同。事實上，耦合電感的簡單模型通常是可以輕松用于仿真以實現(xiàn)正確波形的東西，但它與實際物理行為并不對應。另一方面，TLVR幾乎是由原理圖所示的元件構建，因此在這種情況下，仿真模型更接近實際系統(tǒng)的物理行為。
TLVR是一個相對較新的開發(fā)，具體細節(jié)和特性仍在研究當中。本文重點討論TLVR的瞬態(tài)行為，它會影響TLVR設計本身的隔離要求，以及整個母板的隔離和安全考量。
TLVR和瞬態(tài)
多相降壓調節(jié)器使用來自[5]的TLVR原理圖，如圖1所示。雖然主電感繞組仍然連接在相位和Vo的開關節(jié)點之間，但添加的輔助繞組彼此串聯(lián)電連接，并連接到調諧電感LC。若移除LC，電路就又回到降壓轉換器中只有分立（未耦合）電感的情況。若LC輸出短路，則各相之間的關聯(lián)度最強，瞬變性能也最快，但這也會影響電流波形和電流紋波的一般幅度。實際上，LC通常是這兩種極端情況的折衷選擇。
圖1：TLVR原理圖（來自[5]）
與任何多相降壓轉換器一樣，當快速瞬變負載階躍到達時，輸出電壓的變化導致反饋作出反應，相應地調整電壓和電流。對于TLVR，一個潛在問題是所有輔助繞組都是串聯(lián)連接，與主繞組的變壓器匝數(shù)比通常是1:1。TLVR主繞組上有以開關頻率施加的方波，理想情況下不同相位之間存在時間上的相移。但在瞬變期間，這些相位通常會對齊以提高性能。
考慮一個12V轉1.8V應用中的激進地負載瞬態(tài)，所有相位中的所有高端FET都導通以使電感電流盡可能快速地上升，因此(VIN - VO) = 10.2V電壓同時應用于所有主繞組，如圖2所示。實際波形將取決于電路參數(shù)，但在最壞情況下，1:1變壓器會在其副邊生成10.2V電壓，因此副邊的電壓脈沖將是(VIN - Vo) × NPH。這顯然是一個安全擔憂。圖2對于150nH值的TLVR給出了實際值，主繞組和輔助繞組之間的小型漏電感測量值為5nH。圖中還顯示了LC值為160nH。此Ls值在NPH~6的典型范圍內，但可以調整，特別是針對不同數(shù)量的關聯(lián)相位。
圖2：TLVR = 150nH的等效原理圖，最壞情況下的加載瞬態(tài)
圖3顯示了NPH = 20的仿真，所有VX開關節(jié)點具有10.2V的100ns脈沖：圖3a中LC = 160nH，圖3b中LC = 開路。圖中繪制了所有副邊TLVR電壓曲線，以顯示繞組的串聯(lián)連接如何逐步提升電壓。當LC = 160nH且加載20個關聯(lián)相位的副邊繞組時，電路板上的電壓達到約123V。但在LC斷開連接的情況下，電壓步進可以高達197V，因為副邊無負載。總電壓更接近最壞情況(VIN - Vo) × NPH。
然而，圖3中的結果仍然過于樂觀。實際上，圖3中的簡化仿真至少需要加上GND層與連接副邊TLVR繞組的相當寬走線之間的寄生電容。這些寄生電容的實際估計值在5pF左右。如圖4所示給每個TLVR副邊節(jié)點加上5pF電容，得到圖5所示的仿真。添加的寄生電容在高Q值電路中引起大量振蕩，因為出于效率和瞬態(tài)考慮，電阻保持最小值。相同的NPH = 20情況顯示：當存在LC = 160nH時，電壓峰值為239V；如果LC從電路板斷開，峰值電壓為390V。
請注意，布局寄生電容的值并不重要——它只影響振蕩的頻率和包絡，但不影響幅度。
圖3：TLVR最壞情況瞬態(tài)仿真：a) LC = 160nH，b) LC開路，NPH = 20
圖4：布局電容被添加到TLVR等效瞬態(tài)原理圖中
圖5：TLVR最壞情況瞬態(tài)仿真，每個副邊節(jié)點添加5pF電容：a) LC = 160nH，b) LC開路，NPH = 20
至少有兩種方法可減輕這種高壓問題。一種是確保各相位在瞬態(tài)期間不對齊，或者對齊相位不超過2到3個。控制器設計可以考慮這種方法，但很顯然，它會限制瞬態(tài)響應可達到的速度。另一種方法是限制TLVR關聯(lián)相位的數(shù)量。但是，鑒于NPH需要足夠高以便約束電流紋波，同時NPH也需要足夠低以便限制最壞情況下的副邊電壓，因此這種方法的實際限值是多少？
關聯(lián)Nph的考慮事項
TLVR中電流紋波的一個推導式如[7]所示。它對任何占空比值都有效，但由于等效電路為該推導式進行了簡化（各TLVR中沒有專用漏電感LK作為一個單獨元件），它對于LC = 開路是準確的，但隨后便開始累積誤差，當LC = 短路時誤差達到無窮大。它還假設TLVR漏電感LK<<LM。盡管如此，當LC不是太小且LK不是太大時，它仍能提供一個非常合理的估計值。 圖6比較了[4]中耦合電感的歸一化電流紋波和[7]中作為Vo函數(shù)的TLVR的電流紋波(VIN = 12V)。換句話說，從分立電感L（紅色曲線）開始，不同數(shù)量的Nph：a) 作為單個耦合電感發(fā)生磁耦合，或 b) 作為TLVR以電氣方式關聯(lián)。具體條件設置如下： TLVR = 150nH，漏電感為5nH，LC = 120nH，假設耦合電感的耦合比LM/LK = 5。根據(jù)NPH，在相同L值下，磁耦合電感顯著降低了來自分立電感的電流紋波。電流紋波曲線在D = Vo/VIN = k/NPH處有陷波或局部最小值。將LM增加到無窮大會使這些地方的電流紋波等于零。另一方面，TLVR電流紋波總是比相同L值下分立電感的電流紋波大。TLVR電流紋波在D = K/NPH區(qū)域也有陷波，這些地方的電流紋波接近分立電感L的電流紋波。通過增加關聯(lián)相位的數(shù)量，NPH顯然對降低TLVR電流紋波有利（圖6b）。
圖6：不同NPH的計算歸一化電流紋波與Vo的關系(VIN = 12V)：a) 耦合電感(LM/LK = 5)，b) TLVR = 150nH (LC = 120nH)
圖7顯示了TLVR = 150nH和不同LC值下作為關聯(lián)TLVR相位的函數(shù)的電流紋波。LC值越低，引入的誤差越大，但趨勢非常清晰；降低NPH或降低LC會導致電流波紋增加。請注意，TLVR始終具有比基線分立電感（LC = 開路）更大的紋波。假設LC值足夠大，可以得出結論，為使電流紋波影響受控，關聯(lián)相位的最小數(shù)量應在NPH_min~1/D左右，參見公式(1)。換句話說，NPH至少應提高到電流紋波曲線的第一陷波；在這里，不同相位的占空比接近重疊。
圖7：不同LC下TLVR = 150nH的計算電流紋波與關聯(lián)NPH的關系（VIN = 12V，Vo = 1.8V，fS = 400kHz）
另一個結論是，Vo越低，則所需的最低關聯(lián)相位數(shù)量越多，因為NPH_min = VIN/Vo。對于VIN = 12V且Vo = 1.8V，TLVR解決方案大約需要NPH_min~6，而對于Vo = 0.8V，大約需要NPH_min~15，參見圖8。當然，如果對電流紋波有額外的影響，并且可以容忍效率的降低，那么更少數(shù)量的NPH也是可以接受的。請注意，為了一致性，圖8是針對相同的TLVR = 150nH和相同的LC值繪制的，與Vo = 1.8V情況相同。這導致電流波紋較小。但是，降低的Vo會使瞬態(tài)性能更差，因此TLVR解決方案很有可能會調整以改善瞬態(tài)，導致電流波紋增加。
假設在12V轉1.8V應用中，關聯(lián)NPH = 6為目標的話可使TLVR電流紋波保持較低水平。圖9顯示了原邊上所有相位都有100ns脈沖時的最壞情況下的副邊TLVR電壓(VIN - Vo)。 當存在LC = 120nH時，副邊電壓可以達到77V。如果LC從PCB斷開，則無負載的副邊電壓可以振蕩幅度達到113V。
圖8：不同LC下TLVR = 150nH的計算電流紋波與關聯(lián)NPH的關系。 VIN = 12V，Vo = 0.8V，fs = 400kHz
對最壞情況副邊TLVR電壓的粗略估計如式(2)所示，其中2x乘數(shù)來自振蕩而不是脈沖波形。
TLVR內部泄漏使此電壓峰值略微降低，但在設計保證下該泄漏一般較小。相應地，對于NPH = 20，估算VPEAK為408V；對于NPH = 6，估算電壓峰值為122V，而仿真結果分別為377V（圖5b）和113V（圖8b）。
圖9：TLVR最壞情況瞬態(tài)仿真，每個副邊節(jié)點添加5pF電容：a) LC = 120nH，b) LC 開路，NPH = 6
為使最壞情況下副邊電壓低于期望的最小VPEAK，估算的NPH_max大致如式(3)所示。假設PCB的額定最大值限制為60V，則對于12V轉1.8V應用，NPH_max < 2.9；對于12V轉0.8V應用，NPH_max < 2.6。這會給約束電流紋波帶來問題，因為對于Vo = 1.8V，NPH_min = 6；對于Vo = 0.8V，NPH_min = 15。如果安全額定值需要足夠低的電壓限值，那么在實際應用中，似乎會發(fā)生額外電流紋波增加的現(xiàn)象，因此預期會有更明顯的效率影響。
圖10顯示了NPH_min（效率）和NPH_max（安全）與Vo的關系，假設安全額定值為VPEAK = 60V且VIN = 12V。NPH_min和NPH_max之間的可能解決辦法僅存在于Vo = 3.5V以上，而在較低電壓時，由于安全問題，NPH_MAX會覆蓋它，導致電流紋波較高且和相關效率受影響。
圖10：NPH_min（效率）和NPH_max（安全）與Vo的關系，假設VIN = 12V，安全額定值VPEAK = 60V
當然，如果降低NPH，這也會導致外加調諧電感LC的總數(shù)增加，因為每個關聯(lián)繞組都需要一個。
結論
TLVR方法是對分立電感方案的改進，但它主要改善瞬態(tài)，同時會產(chǎn)生電流紋波，因此使效率變差。為使電流紋波影響受控，建議關聯(lián)NPH_min > VIN/Vo。從安全角度來看，如果期望PCB上的最壞情況電壓為VPEAK限值，那么關聯(lián)的相位數(shù)需要不超過NPH_max < VPEAK/((VIN - Vo) × 2)。安全標準一般會超越電流紋波考慮，因此預期TLVR方法的電流紋波和效率會受影響。
解決高壓問題的另一種可能性是確保控制器對齊的相位數(shù)永遠不超過根據(jù)上述NPH_max確定的最大數(shù)量（60V限值最多為2到3個相位，等等）。這種方法的挑戰(zhàn)在于，它會限制系統(tǒng)瞬態(tài)性能可以達到的響應速度。還應考慮穩(wěn)態(tài)操作時過多相位重疊。
參考資料
[1]Pit-Leong Wong, Peng Xu, P. Yang, and F.C.Lee, “Performance improvements of interleaving VRMs with coupling inductors,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 16, no. 4, pp. 499–507, 2001
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[3]A. M. Schultz and C. R. Sullivan, “Voltage converter with coupled inductive windings, and associated methods,” U.S. Patent 6,362,986, March 26, 2002.
[4]A. Ikriannikov, “The benefits of the coupled inductor technology,” eeNews Power Management, December 2014, https://www.eenewspower.com/content/benefits-coupled-inductor-technology.
[5]Shuai Jiang, Xin Li, Mobashar Yazdani, Chee Chung, “Driving 48V Technology Innovations Forward - Hybrid Converters and Trans-Inductor Voltage Regulator (TLVR),” Industry Session in IEEE 2020 Applied Power Electronics Conference, 2020.
[6]Jinghai Zhou, “Scalable 2-Stage 48V to PoL Power Delivery for Data Centers,” Industry Session in IEEE 2020 Applied Power Electronics Conference, 2020.
[7]Infineon Technologies, “Multiphase buck converter with TLVR output filter,” eeNews Europe, February 17, 2021, https://www.eenewseurope.com/Learning-center/multiphase-buck-converter-tlvr-output-filter
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結合模擬、數(shù)字和軟件技術的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Alexandr Ikriannikov，Maxim Integrated?（現(xiàn)為ADI公司一部分）應用工程團隊總監(jiān)工程師。
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