TLVR降压中的电流纹波和暂态

多相降压变换器的任何改进都引起了许多大电流应用的极大兴趣。瞬态改进是特别关注的，因为许多cpu, gpu和asic现在都具有非常激进的瞬态规格，而高效率对于节能和热性能也至关重要。

电感中的电流纹波是影响设计选择的重要参数:它影响效率和输出电压纹波，并间接涉及瞬态性能、解决方案尺寸和其他性能指标。另一个关键特性是暂态的电流转换率，这是暂态性能的基本限制因素。通常，电流纹波(因此效率)和瞬态性能(对输出电容量的直接影响等)会导致设计决策的权衡。

带离散电感(DL)的传统多相降压变换器如图1a所示。假设所有相位之间有适当的相移，以实现波形的最佳交错。一种替代方案是用耦合电感器(CL)取代dl，如图1b所示。(1 - 3,5)另一种替代方案如图1c所示，称为TLVR，其中调谐电感器L(c)影响电流纹波和瞬态。(4,6,7,10)TLVR方法是基于在离散电感器上添加二次绕组，并通过二次绕组的电连接连接相。这有一个类似于耦合电感的思想:对所有连接相之间的交流波形进行平均，以获得一定瞬态转换率下更好的电流纹波，但TLVR的有效耦合电感是有限的，因为它必须为全相电流额定值。缺点是TLVR变压器不通过直流电流的事实的结果，所以它不会在相之间取消，因为它发生在磁耦合电感器中。本文将重点关注TLVR的更多细节和特定权衡，由于纸张大小的限制，这些不可能包括在以前的研究中。

(7)虽然这是非常有用的数学，适用于任何电路条件(任何占空比D = V(o)/V(in)或许多相N(ph)等)，但它有一些局限性。例如，较低的L(c)值(图1c中的调谐电感)会导致误差增加，当L(c) = 0时误差变为无穷大，等等。L(c)值较低的拐角比L(c) =开放拐角更为关键，因为使用TLVR的主要原因是瞬态改善，这意味着L(c)值较低。

本文给出了一个更精确的TLVR推导，其中推导出的方程可以通过分配适当的Vx状态来产生稳态(对于电流波纹)或瞬态的电流转换率。(10)推导出了一个更精确的等效TLVR原理图(图2)。该模型与任何极端情况下的模拟都有极好的相关性，但稳态下的电流转换率仅对D &lt有效;1 / N (ph)范围内。后者是可以接受的，因为它表明TLVR与DL基线相比具有最大的电流纹波增加，正好适用于D <1/N(ph)区域，当N(ph)足够高时接近DL纹波(9,10)。

通常，TLVR值在数据表中以与离散电感器DL相同的方式显示，TLVR由此导出。图2中的模型假设TLVR的总价值，即自感，被分成一个典型的小的L(k)，其余部分有效地成为TLVR变压器的互感，L(m) = TLVR-L(k)(式1)。

根据图2的模型，TLVR中的电流摆率可以表示为式2，其中L(k)为主、副绕组之间的TLVR漏电流。将V(x1)电压赋给感兴趣的相位，同时假设所有其他Vx节点处于相同的电压(V(IN)或0)，对应的节点电压V(y1)如式3所示。公式2可用于直接计算TLVR中的最大瞬态转换率，强制V(x1) = V(x)并将这些电压分配给V(in)(上升)或0(下降)。同样，公式2中的电流压摆率可用于公式4中的稳态纹波计算，其中V(x1) = V(in)，所有其他交换节点V(x) = 0。式4仅对D &lt有效;1/N(ph)虽然，因为它假设一个单一的和相同的转换率为整个打开时间D/F(s)。

正如所示，性能值(FOM)是系统性能的一个很好的指标，最大化FOM通常是实现最佳权衡的一个好方向。(9,10)然而，请注意，高FOM本身并不能保证满足特定应用规范中的每个参数:高FOM只是一个好的设计的指标。将FOM定义为公式5，适用于D<1/N(ph)范围，我们可以将TLVR FOM表示为公式6。

为了进行比较，将使用CL方程(此处未显示)，而重点将放在TLVR性能和权衡上。(5,10)缺口耦合电感(NCL)结构也将用作基准，与特定的TLVR = 150 nH解决方案进行比较，该解决方案是占地面积和尺寸兼容的(10)。

TLVR权衡

基于12 V至1.8 V 6相设计(电流纹波F(s) = 300 kHz)，关键TLVR性能参数作为调谐电感L(c)的函数如图3所示。TLVR = 150 nH是在给定尺寸下勉强满足I(sat)/ph规格的最大可能值，因此可以最小化TLVR纹波并最大化效率。DL = 150 nH也被绘制为TLVR = 150 nH的基线，而NCL = 6× 25 nH (L(m) = 375 nH)参数也被绘制用于比较。图3中所有TLVR曲线上都突出显示了实际设计点L(c) = 120 nH。

TLVR参数的变化需要在内容中考虑:图3显示了(a) FOM， (b)电流瞬态压转率，(c)电流纹波随L(c)的变化情况。注意，随着L(c)的增加，所有TLVR曲线都逐渐接近DL性能。TLVR的FOM随着L(c)值的降低而增加，因为瞬态转换率增加了很多，但代价是DL基线已经显著的纹波进一步增加电流纹波，见图3c。在初始DL中加入带隔离的次级绕组时，绘制的TLVR FOM不考虑铁氧体的减少。正如预期的那样，TLVR纹波总是大于DL基线。

图4显示了FOM、瞬态摆率和电流纹波随TLVR值(有效值为L(m))的函数关系。重要的是要注意，虽然绘制了数学曲线:TLVR的I(sat)规格是每相完整的I(sat)(在测试溶液中，TLVR = 150 nH时，I(sat) = 65 a)，而NCL的L(m)的I(sat)明显更低(保守I(sat) = 25 a, L(m) = 375 nH，必须承受相之间的电流不平衡)。因此，在相同尺寸的测试溶液中:150 nH以上的TLVR曲线和375 nH以上的NCL曲线只是理论上的(需要更大的尺寸来扩展这些值)。由于TLVR和CL的电模型相似，相关曲线作为L(m)的函数可能非常接近，关键是在给定的空间内，TLVR和CL的互感总是会有很大的不同。(10)这使得TLVR和NCL在相同的体积内具有现实的比较视角。

如图4a所示，对于TLVR和NCL而言，L(m)的增加会导致耦合系数和FOM的增大。(10)瞬态摆率一般由NCL中的泄漏电感L(k)和TLVR中的调谐电感L(c)来定义，而不是L(m)，因此图4b中的曲线大多是平坦的。然而，当TLVR值(有效L(m))过小时，它开始并行有效地缩短L(c)，瞬态转换速率迅速增加。

图4c证实，就电流纹波减小而言，增加L(m)对TLVR和NCL都非常有利(而增加L(m)并不会降低瞬态，见图4b)。TLVR和NCL的电流纹波曲线作为L(m)的函数非常相似，这是电模型的相似性所期望的，但L(m)值的极限却有显着差异。(10)当然，大部分差异来自给定尺寸下L(m)所需的I(sat)额定值，因此NCL的电流纹波明显小于相关的TLVR。

实验结果

NCL被设计成适合相同的TLVR占地面积，并匹配TLVR解决方案的所有其他外部尺寸。(10)图5显示了同一板上的两个测试解决方案(NCL不需要L(c))。

TLVR和NCL都是非常快的解决方案，正如从转换率数字所预期的那样(图3b和图4b)。验证了故意相同的瞬态性能，其中即使将F(s)降低到300 kHz仍然不会导致相位相互耦合的6相解决方案中的反馈带宽限制。

由于NCL的FOM明显高于TLVR(图3a)，因此匹配瞬态性能会使NCL的电流纹波减小约2.6倍。相应的效率比较如图6所示，其中TLVR性能受到大电流纹波峰对峰的挑战。

由于CL，特别是NCL的泄漏通常远低于TLVR值，因此可以预期CL和NCL的每相电流能力也要高得多:TLVR = 150 nH的例子中，I(sat) = 65 A(每相)，而相同体积的NCL = 6× 25 nH则显示I(sat) >每相300a。

结论

TLVR一般具有FOM~2，从这个角度来看，它是对FOM = 1的离散电感基线的改进。优点在于，与增加电流纹波相比，TLVR以更快的速度提高了瞬态性能。然而，TLVR总是只能短暂地改善，同时也产生了一些缺点。例如，TLVR电流纹波总是比相同值的DL高，这是由于有效磁化电感较低的相与L(c)之间的连接。这造成了一个坏的效率影响，特别是考虑到减少铁氧体横截面时，增加了高压隔离的二次绕组。本文不考虑由于铁氧体损耗而导致的电感值的额外损失(假设与原始DL相同的I(sat))。串联的次级TLVR绕组也会引起潜在的高电压问题，并且通常会导致磁性元件的成本增加。

TLVR的瞬态电流转换速率通常由L(c)设定，但如果L(m)足够低，则L(m)会有效地缩短L(c)，从而产生更快的瞬态，但会产生非常大的电流纹波惩罚，从而影响效率。

一般来说，TLVR的行为类似于耦合电感;然而，TLVR的全电流额定值限制了有效L(m)，使其表现明显不佳。在相同的体积中，CL或NCL可以获得更高的FOM，因此由于L(m)通常高出几倍，因此性能也更高。因此，NCL在考虑的示例中显示出显着更好的效率，同时略微改善了TLVR的瞬态性能。(10)这也是在没有TLVR方法的成本影响或高电压问题的情况下实现的。

NCL与TLVR相比，每相I(sat)电流能力的一大优势是额外的(在上面的例子中相差4.5倍)。

参考电路

(1)艾伦·m·舒尔茨和查尔斯·r·沙利文。“耦合电感绕组的电压转换器及相关方法”，美国专利6,362,986,2001年3月。

(2)李洁丽。dc - dc变换器中的耦合电感设计。硕士论文，2001年，达特茅斯学院。

(3)黄炳良，徐鹏，杨鹏，李志强。“带耦合电感的交错vrm的性能改进”，《IEEE电力电子学报》，第16卷，第1期。2001年7月4日。

(4)徐明，应玉成，李强，李福德。“新型耦合电感多相虚拟现实”，IEEE, 2007。

(5)亚历山大·伊克里尼科夫。耦合电感的基础和好处>，《器件》，2021。

(6)蒋淑娟，李晓明，钟志强。“推动48v技术创新向前混合变换器和电感式电压调节器(TLVR)”IEEE 2020。

(7)“基于TLVR输出滤波器的多相降压变换器”，英飞凌技术，2021年2月。

(8)亚历山大·伊克里尼科夫。《TLVR高压考虑》，《电力系统设计》，2021。

(9)亚历山大·伊克里尼科夫。“多相DC-DC应用中磁性的演变和比较”，IEEE, 2023年3月。

(10)亚历山大·伊克里尼科夫和狄·姚。“多相磁变换器:TLVR vs CL和新型优化结构”，PCIM Europe, 2023年5月。