【導(dǎo)讀】考慮到上述諸多情況，TLVR 是目前應(yīng)對(duì)低電壓大電流應(yīng)用中快速負(fù)載波動(dòng)的主流電路配置。這種TLVR能使半導(dǎo)體處理器獲得較高的瞬態(tài)響應(yīng)性能，滿足負(fù)載要求，同時(shí)降低電源損耗，而且可保持較小的輸出電容值，從而減少安裝面積和系統(tǒng)成本。
隨著云計(jì)算、智能手機(jī)的普及和5G的發(fā)展，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不斷增加，數(shù)據(jù)中心的信息處理需求也在激增，以便通過(guò)使用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和其他數(shù)據(jù)來(lái)支持人工智能等技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型 (DX)。
為順應(yīng)這種市場(chǎng)趨勢(shì)，CPU、GPU和FPGA等半導(dǎo)體處理器在制造工藝技術(shù)方面取得重大發(fā)展，并且越來(lái)越傾向于微型化，從而使得單位面積上集成的柵極數(shù)量不斷增加，工作頻率不斷提高，信息處理能力顯著增強(qiáng)。在處理器能力提升的驅(qū)動(dòng)下，服務(wù)器電源電路也取得了重大進(jìn)展。
半導(dǎo)體處理器的微型化導(dǎo)致了電源電壓的降低，但消耗的電流不降反升，使得功耗持續(xù)增加。而低電壓和大電流的趨勢(shì)帶來(lái)的問(wèn)題之一是對(duì)快速負(fù)載波動(dòng)的響應(yīng)。隨著電壓降低，電壓的容許公差變得非常小。比如，為了避免處理器的誤操作，若以±3％的精度提供磁芯電壓，則電壓為1V時(shí)的公差必須控制在±30mV。對(duì)于服務(wù)器專用電源，即使在超過(guò)1000A的大電流負(fù)載驟變的驅(qū)動(dòng)條件下，輸出電壓也必須盡可能保持穩(wěn)定。
【服務(wù)器電源電路】
低電壓大電流趨勢(shì)一直持續(xù)發(fā)展，在此之前通常采用高頻化和多相位化來(lái)應(yīng)對(duì)。對(duì)于多相VR，僅通過(guò)一個(gè)相位的占空比控制不足以應(yīng)對(duì)大電流負(fù)載波動(dòng)，需要對(duì)多個(gè)相位進(jìn)行占空比控制。但相位間的切換需要時(shí)間，因此需要進(jìn)一步提高切換頻率來(lái)加快響應(yīng)速度。
雖然提高頻率對(duì)改善負(fù)載響應(yīng)有很大的作用，但同樣會(huì)極大地增加開關(guān)元件的損耗，因此很難通過(guò)提高現(xiàn)有電路配置的多相VR的頻率來(lái)達(dá)到服務(wù)器電源追求高能效的要求。此外，通過(guò)使用大容量外部電容器可在一定程度上抑制大電流應(yīng)用的電壓波動(dòng)，但這會(huì)增加安裝面積和電容器成本。
考慮到上述諸多情況，TLVR (Trans-Inductor Voltage Regulators) 是目前應(yīng)對(duì)低電壓大電流應(yīng)用中快速負(fù)載波動(dòng)的主流電路配置。在這種電路配置中，每個(gè)相位開關(guān)連接到一個(gè)帶額外繞組的電感器上，然后將每個(gè)相位的繞組和補(bǔ)償電感器串聯(lián)成回路，以便同時(shí)為每個(gè)相位提供電流。這種TLVR能使半導(dǎo)體處理器獲得較高的瞬態(tài)響應(yīng)性能，滿足負(fù)載要求，同時(shí)降低電源損耗，而且可保持較小的輸出電容值，從而減少安裝面積和系統(tǒng)成本。
下圖解釋了TLVR的運(yùn)行機(jī)制。當(dāng)多相VR中的電流需求突然增加時(shí)，為維持輸出電壓，會(huì)增加當(dāng)時(shí)開啟的相的占空比，從而增加輸出電流。通過(guò)增加特定相的占空比可增加該相的輸出電流，但如果發(fā)生大電流負(fù)載變化，電流值將不夠用，輸出電流的增加將通過(guò)增加后續(xù)相的占空比來(lái)滿足。
【多相和TLVR電路配置的比較（6相）】
在這種情況下，確保所需電流需求所需的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，輸出電流的回轉(zhuǎn)率較低，無(wú)法充分應(yīng)對(duì)快速變化的負(fù)載。另一方面，在TLVR中，與每個(gè)相位開關(guān)相連的電感器上都增加了額外的繞組，每個(gè)電感器中的額外繞組又與補(bǔ)償電感器串聯(lián)成回路。
通過(guò)這種電路配置，在電流需求突然大幅增加的情況下，此時(shí)接通的相位的占空比將擴(kuò)大，從而增加輸出電流，并與其他未接通的電感器協(xié)同工作，使所有電感器都能在同一時(shí)刻提供電流。因此，即使在電流負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)較高的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，而且電源電壓幾乎不會(huì)降低。TLVR方法不僅能快速供應(yīng)電流，還能有效減少輸出電容，是目前的主流電路配置。
我們?cè)谟邢迼l件下，使用電路模擬器作為比較案例，比較了8個(gè)相位的VR和TLVR在負(fù)載突然變化時(shí)輸出電壓的變化。下圖是假設(shè)在800kHz開關(guān)頻率下從12V轉(zhuǎn)換為1.8V，并且輸出平滑電容器的電容值為1850μF時(shí)，相對(duì)于240A→360A→240A負(fù)載變化的電壓變化的計(jì)算結(jié)果。
【負(fù)載響應(yīng)電路仿真比較結(jié)果】
因此，相對(duì)于多相VR的1.8V電壓，負(fù)載電壓波動(dòng)為±0.3V。另一方面，TLVR的輸出波動(dòng)小于±0.1V，電壓穩(wěn)定所需的時(shí)間大幅縮短。若將負(fù)載波動(dòng)期間的允許電壓波動(dòng)設(shè)定為 ±0.3V，則使用TLVR電路配置時(shí)，輸出平滑電容值可減少到230μF，幾乎為原先的八分之一，電壓穩(wěn)定所需的時(shí)間也能大幅縮短。
我們提供有針對(duì)TLVR電路配置進(jìn)行了優(yōu)化的雙線圈功率電感器VLBUC系列和Lc補(bǔ)償功率電感器VLBU6565100。
VLBUC12060120系列是一款支持大電流的雙線圈功率電感器，具有高飽和磁通密度、針對(duì)高頻開關(guān)專門優(yōu)化的磁性材料和獨(dú)特的電極結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了低損耗。兩個(gè)線圈之間的絕壓高達(dá)DC100V。
此外，VLBU6565100系列適用于Lc補(bǔ)償功率電感器，是一款適合高頻應(yīng)用的低損耗元件。兩者的工作溫度范圍均為-40至+125°C。
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