如今，多相 VR 發(fā)揮著越來越重要的作用，因?yàn)樗鼈儽挥脕頌楦鞣N微處理器（例如 CPU、GPU 和 ASIC）供電。近年來，這些微處理器的功耗需求急劇增加，特別是在電信和一些新興應(yīng)用中，例如加密貨幣挖礦和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。因此，微處理器需要更高的電流和更高的轉(zhuǎn)換速率。因此，VR 需要在負(fù)載瞬態(tài)期間具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以滿足輸出電壓紋波要求。從系統(tǒng)尺寸的角度來看，極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)于減少所需的輸出電容并縮小輸出電容器的尺寸非常有吸引力。此外，更小的輸出電容和更少的輸出電容器有利于系統(tǒng)成本。本文將介紹一種基于變壓器的 VR 解決方案，其采用 TLVR 結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，并大幅縮小輸出電容器的尺寸和成本。當(dāng)在基于變壓器的VR解決方案中引入TLVR結(jié)構(gòu)時(shí)，可以輕松解決TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。
　　將提供設(shè)計(jì)和實(shí)施細(xì)節(jié)，并通過基于實(shí)際應(yīng)用的研究來展示綜合效益。還應(yīng)該指出的是，本文中的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)目前正在申請(qǐng)。

　　TLVR 結(jié)構(gòu)是加速多相 VR 負(fù)載瞬變期間動(dòng)態(tài)響應(yīng)的有效實(shí)現(xiàn)。1,2,3 如圖 1 所示，TLVR 結(jié)構(gòu)利用 TLVR 電感器來取代傳統(tǒng)多相 VR 中的輸出電感器。TLVR 電感器可以被視為具有初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的 1:1 變壓器。所有TLVR電感的耦合是通過連接所有TLVR電感的次級(jí)繞組來實(shí)現(xiàn)的。TLVR 電感次級(jí)側(cè)的電流 I LC，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 的一相占空比發(fā)生變化以響應(yīng)負(fù)載瞬變，所有相的輸出電流就會(huì)同時(shí)上升或下降。這就是為什么TLVR結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的負(fù)載瞬態(tài)性能。

　　圖1：(a)不帶TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多相VR的電路圖和(b)具有TLVR結(jié)構(gòu)的多相VR的電路圖。
　　圖1：(a)不帶TLVR結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)多相VR電路圖和(b)具有TLVR結(jié)構(gòu)的多相VR電路圖

　　圖 2 顯示了基于變壓器的 VR 的一個(gè)代表性示例的電路圖。VR電路采用降壓變壓器，具有兩個(gè)次級(jí)繞組，次級(jí)側(cè)具有倍流器結(jié)構(gòu)?？梢栽O(shè)計(jì)更多的次級(jí)繞組來實(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?，圖 2 中的多個(gè)示例 VR 電路可以輕松并聯(lián)，為各種高性能微處理器提供所需的電流。因此，本文以圖 2 所示的 VR 電路為例。

　　圖 2：基于變壓器的 VR 示例的電路圖。

　　圖 2：基于變壓器的 VR 示例的電路圖

　　TLVR 結(jié)構(gòu)在基于變壓器的 VR 中的優(yōu)勢(shì)
　　事實(shí)證明，TLVR 結(jié)構(gòu)可以在負(fù)載瞬態(tài)期間顯著加速 VR 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而無需任何降壓變壓器。然而，如此卓越的動(dòng)態(tài)性能也帶來了諸多挑戰(zhàn)。1,2,3由于沒有任何降壓變壓器，這些無變壓器 VR 通常在 TLVR 電感器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)施加低占空比和高電壓的情況下運(yùn)行。TLVR 電感器次級(jí)側(cè)的高電壓二次導(dǎo)致 TLVR 電感器次級(jí)側(cè)的高循環(huán)電流以及穩(wěn)態(tài)操作期間的額外功率損耗。因此，如圖 1b 所示，需要一個(gè)額外的電感器 L c應(yīng)添加限制 TLVR 電感器次級(jí)繞組中的環(huán)流的電流。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)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)，由于耦合效應(yīng)推動(dòng)負(fù)載瞬變期間各相電流同時(shí)響應(yīng)，因此仍然可以實(shí)現(xiàn)極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于降壓變壓器的存在，施加到 TLVR 電感器上的電壓變得更低，從而降低了電感器損耗。TLVR 電感器的次級(jí)側(cè)所需的附加電感器的電感可以低得多。事實(shí)上，通過利用寄生電感，可以消除額外的電感器，以及電感帶來的額外損耗和成本。此外，與 TLVR 電感器和附加電感器相關(guān)的絕緣問題不再是問題。
　　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器都被TLVR電感器取代。此外，在基于變壓器的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)，這為該結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了很大的靈活性。圖 3 顯示了兩種實(shí)現(xiàn)方式的電路圖，其中使用了圖 2 中所示的兩個(gè) VR 模塊并聯(lián)連接的示例。圖 3a 中的實(shí)現(xiàn)稱為串聯(lián)連接，因?yàn)?TLVR 電感器的所有次級(jí)繞組都是串聯(lián)連接的。圖 3b 中所示的另一種實(shí)現(xiàn)稱為串并聯(lián)連接。在模塊1中，L11和L12的次級(jí)繞組先串聯(lián)，然后再與L13和L14的次級(jí)繞組的串聯(lián)連接并聯(lián)。模塊1中TLVR電感次級(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。類似地，當(dāng)兩個(gè)以上基于變壓器的 VR 模塊并聯(lián)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)圖 3 中 TLVR 結(jié)構(gòu)的兩種實(shí)現(xiàn)方式。
　　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。具有TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR的兩種實(shí)現(xiàn)應(yīng)用了相同的控制方案。這里以三個(gè)模塊并聯(lián)的基于變壓器的VR控制方案為例進(jìn)行介紹。在不同 VR 模塊的控制信號(hào)之間插入相移。模塊1和模塊2之間插入的相移為60°，模塊2和模塊3的控制信號(hào)之間插入60°的相移。如果有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°/北。
　　根據(jù)所提出的控制方案，可以得出施加到所有 TLVR 電感器的電壓。圖 4 總結(jié)了兩個(gè)模塊并聯(lián)的基于變壓器的 VR 中所有 TLVR 電感器的電壓波形。由于圖 3 中的兩種實(shí)現(xiàn)方式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也是如此。這些電感器電壓波形有效地解釋了為什么圖 3b 中的串并聯(lián)連接是合理的。TLVR 電感次級(jí)側(cè)的電流，I秒，在主降壓變壓器初級(jí)側(cè) MOSFET 的 4 倍開關(guān)頻率下具有高頻紋波。當(dāng)并聯(lián) N (N > 2) 個(gè)模塊時(shí)，I sec的電流紋波將處于更高的頻率（2N × 開關(guān)頻率），并且 I sec的幅度可以進(jìn)一步減小。因此，所提出的相移控制方案不僅可以降低輸出電壓紋波，還可以有效抑制I sec紋波，從而抑制TLVR 電感次級(jí)側(cè)的傳導(dǎo)損耗。

　　此外，具有TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR不需要額外的電感器。額外電感帶來的額外成本和損耗也被消除，這大大有利于系統(tǒng)的效率和成本。由于變壓器降壓比高（n?。?，TLVR電感的電壓比TLVR結(jié)構(gòu)的無變壓器VR大幅降低。因此，無需引入額外的補(bǔ)償電感L c在二次側(cè)的TLVR電感可以抑制電流紋波。有關(guān) TLVR 電感器電壓的詳細(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 sec 方面起著至關(guān)重要的作用。為了進(jìn)一步提高負(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 3：具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的兩個(gè)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)和 (b) 串并聯(lián)連接。

　　圖4：TLVR結(jié)構(gòu)的變壓器VR模塊（兩個(gè)模塊并聯(lián)）中TLVR電感的電壓和次級(jí)電流波形。
　　圖4：TLVR結(jié)構(gòu)的變壓器VR模塊中TLVR電感的電壓和次級(jí)電流波形（兩個(gè)模塊并聯(lián)）
　　原型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　設(shè)計(jì)并構(gòu)建了TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR模塊的兩種實(shí)現(xiàn)方式，包括串聯(lián)版本和串并聯(lián)版本。圖 5a 顯示了典型 TLVR 電感器的 3D 模型。構(gòu)建的模塊原型如圖5b所示。兩個(gè)版本的尺寸與沒有 TLVR 結(jié)構(gòu)的版本相同。也就是說，采用TLVR電感來實(shí)現(xiàn)TLVR結(jié)構(gòu)，無論是串聯(lián)還是串并聯(lián)，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)性能已通過構(gòu)建的原型成功證明。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 電感的次級(jí)側(cè)沒有安裝額外的電感。負(fù)載瞬態(tài)介于 20 A 至 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的出色負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，其中以串并聯(lián)連接版本為例。為了公平比較，沒有TLVR結(jié)構(gòu)的情況是通過斷開TLVR電感次級(jí)側(cè)的連接來實(shí)現(xiàn)的。隨著負(fù)載電流從 20 A 升至 170 A，

　　TLVR結(jié)構(gòu)的變壓器VR經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，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20A至170A的相同瞬態(tài)下，輸出電壓紋波峰峰值僅為23.7mV，這得益于TLVR結(jié)構(gòu)帶來的極快響應(yīng)。采用TLVR結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度大幅加快，輸出電壓紋波峰峰值降低62%。測(cè)得的 115 kHz 高控制帶寬還證明了 TLVR 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的極快負(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) 在演示板上并聯(lián)具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基于變壓器的 VR 原型。
　　圖 5：(a) TLVR 電感器的 3D 模型和 (b) 在演示板上并聯(lián)具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的兩個(gè)基于變壓器的 VR 原型
　　結(jié)構(gòu)具有TLVR結(jié)構(gòu)無TLVR結(jié)構(gòu)
　　輸出電容15.2毫法15.2毫法
　　電壓紋波（峰-峰）23.7毫伏62毫伏
　　控制帶寬115kHz45kHz
　　相位裕度69°40.7°
　　表1：具有TLVR結(jié)構(gòu)和不具有TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較

　　圖 6：具有 TLVR 結(jié)構(gòu)和不具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較。

　　圖6：具有TLVR結(jié)構(gòu)和不具有TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較

　　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 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)
　　分析
　　為了進(jìn)一步展示基于變壓器的 VR 與 TLVR 結(jié)構(gòu)相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，本節(jié)介紹了基于實(shí)際應(yīng)用規(guī)范的基于變壓器的 VR 的研究。具有和不具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 解決方案均經(jīng)過實(shí)施和測(cè)試，可提供 0.825 V/540 A 電源軌。表2總結(jié)了詳細(xì)的規(guī)格和測(cè)試結(jié)果。在具有可比較的相位裕度和增益裕度的情況下，具有TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR解決方案的控制帶寬比沒有TLVR結(jié)構(gòu)的VR解決方案高出61%。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，比 0.825 V 輸出電壓低 5%。
　　與沒有TLVR結(jié)構(gòu)的VR解決方案相比，具有TLVR結(jié)構(gòu)的VR解決方案在節(jié)省了39%的輸出電容的情況下仍然實(shí)現(xiàn)了低得多的峰峰值電壓紋波。因此，輸出電容器的數(shù)量減少了 27%，從而大大減小了系統(tǒng)解決方案的尺寸。此外，由于 TLVR 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了極快的瞬態(tài)響應(yīng)，輸出電容器的成本可降低 43%。

　　一般來說，基于變壓器的VR具有TLVR結(jié)構(gòu)，具有極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以有效地降低輸出電容，同時(shí)在快速負(fù)載瞬變期間仍然保持低輸出電壓紋波。此外，具有TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR不需要額外的電感器。因此，采用TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR解決方案不僅可以顯著減小總體解決方案尺寸，而且可以大幅降低解決方案成本，特別是輸出電容器的成本。兩種可供使用的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)一步帶來了極大靈活性的好處，同時(shí)并沒有增加控制復(fù)雜度。

　　圖 8：具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 在 150 A 至 350 A 負(fù)載瞬變（三個(gè) VR 模塊并聯(lián)）下的極快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
　　圖 8：具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 在 150 A 至 350 A 負(fù)載瞬變（三個(gè) VR 模塊并聯(lián)）下的極快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)
　　概括
　　微處理器的 VR 解決方案需要具有加速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因?yàn)槲⑻幚砥髟诟鞣N應(yīng)用中會(huì)消耗更高的電流和更高的轉(zhuǎn)換速率。本文介紹了具有TLVR結(jié)構(gòu)的基于變壓器的VR，以在微處理器負(fù)載瞬變期間實(shí)現(xiàn)極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過將基于變壓器的VR與TLVR結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以輕松解決TLVR結(jié)構(gòu)由于主變壓器降壓比大而面臨的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)?？梢燥@著減少TLVR電感的過多損耗，并且不需要額外的補(bǔ)償電感，從而降低損耗和成本。此外，在基于變壓器的VR中實(shí)現(xiàn)TLVR結(jié)構(gòu)時(shí)可以采用兩種類型的實(shí)現(xiàn)方式，這為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了很大的靈活性。兩種實(shí)現(xiàn)都可以使用相同的控制方案并行覆蓋多個(gè) VR 模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與沒有TLVR結(jié)構(gòu)的同類方案相比，這兩種實(shí)現(xiàn)方式都能實(shí)現(xiàn)極快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，控制帶寬提高2.56倍，峰峰值電壓紋波降低62%。詳細(xì)的研究進(jìn)一步展示了具有 TLVR 結(jié)構(gòu)的基于變壓器的 VR 在解決方案尺寸和成本方面的綜合優(yōu)勢(shì)。