最近推出的跨電感電壓調節器(TLVR)在多相DC-DC應用中頗受歡迎，這些應用為CPU、GPU和ASIC等低壓大電流負載供電。此一趨勢主要基於該技術的瞬態性能。TLVR並支援彈性的設計和布局，但其同時也存在幾個缺點。本文闡述了TLVR設計選擇如何影響性能參數，並根據優缺點討論相關權衡方式。
TLVR權衡
(承前文)圖3顯示了基於12V至1.8V的六相互設計的關鍵TLVR性能參數與調諧電感Lc的關係(電流漣波的Fs=300)。TLVR=150nH是給定尺寸下勉強滿足Isat/ph規格的最大可能值，因此其能充分有效地減小TLVR漣波並提升效率。此外並繪製出DL=150nH，作為TLVR=150nH的基線，以及NCL=6×25nH(Lm=375nH)參數以供比較。圖3中所有TLVR曲線上都突顯了實際設計點Lc=120nH。
圖3 TLVR權衡與Lc的關係：(a)FOM(b)電流擺率(向上)(c)電流漣波。其中突顯了實際設計點Lc=120nH。12V至1.8V，6相，Fs=300kHz
內容中需要考慮TLVR參數的變化：圖3顯示了(a)FOM、(b)電流瞬態擺率和(c)電流漣波與Lc的關係，水準刻度相同。請注意，隨著Lc增加，所有TLVR曲線都漸近地接近DL性能。TLVR的FOM隨著Lc值的降低而提高，因為瞬態擺率大幅提高，但代價是電流漣波進一步增加(DL基線的漣波已經相當大)，如圖3c。將具有隔離功能的次級繞組增加到初始DL時，鐵氧體會減少，但TLVR FOM繪圖未考慮這一點。正如預期，TLVR漣波大於DL基線。
圖4顯示了FOM、瞬態擺率和電流漣波與TLVR值(實際上是Lm)的關係。值得注意的是，在繪製數學曲線時，TLVR的Isat規格是每相的全部Isat在測試解決方案中，對於TLVR=150nH，Isat=65A而對於NCL的Lm，Isat明顯較低(對於必須承受相間電流不平衡的Lm=375nH，保守Isat=25A)。因此，在相同給定尺寸的測試解決方案中，高於150nH的TLVR曲線和高於375nH的NCL曲線僅有理論意義(需要更大的尺寸來擴展這些值)。由於TLVR和CL的電氣模型相似，並且與Lm的函數關係的相關曲線可能彼此接近，因此，對於TLVR和CL，給定空間中互感受的限制大不相同，這便為同一特定體積中的TLVR和NCL提供了一個現實的比較角度。
圖4 TLVR權衡與TLVR值(Lm)的關係：(a)FOM、(b)電流擺率(向上)、(c)電流漣波。Lc=120nH，標出了給定尺寸下TLVR=150nH和Lm=375nH(對於NCL)的最大值。12V至1.8V，六相Fs=300kHz
正如預期，對於TLVR和NCL，Lm增加都會導致耦合係數和FOM變大，如圖4a所示。瞬態擺率一般由NCL中的漏感Lk和TLVR中的調諧電感Lc定義，而不是由Lm定義，因此圖4b中的曲線大部分是平坦的。然而，當TLVR值(有效Lm)變得過小時，並聯Lc實際上會短路，瞬態擺率迅速增加。
圖4c證實，對於TLVR和NCL，增加Lm非常有利於減小電流漣波(但Lm增加不會降低瞬態性能，參見圖4b)。TLVR和NCL的電流漣波與Lm的關係曲線非常相似，這是因為二者的電氣模型相似，但Lm值的限制因素卻截然不同。當然，大部分差異來自於給定尺寸下Lm所需的Lsat額定值，因此NCL的電流漣波比相關TLVR小得多。
測試方案實驗結果
NCL設計為適合相同的TLVR尺寸，並且匹配TLVR解決方案的所有其他外部尺寸。
正如根據擺率值所預期的那樣，TLVR和NCL都是非常快的解決方案(圖3b和圖4b)。驗證了瞬態性能相同的情況，即使將Fs降低至300kHz，仍然不會導致相位相互耦合的六相解決方案中出現回饋頻寬限制。
由於NCL的FOM明顯高於TLVR(圖3a)，因此匹配瞬態性能導致NCL的電流漣波只有TLVR的大約1/2.6。圖5顯示了相應的效率比較結果，其中TLVR性能受到大電流漣波峰對峰值的挑戰。
圖5 同一電路板上六相12V至1.8V解決方案的效率與I/O的關係：(a)TLVR和(b)NCL
由於CL(尤其是NCL)的漏感通常遠低於TLVR值，因此預計CL和NCL的每相電流能力也高得多：TLVR=150nH示例中Isat=65A(每相)，而相同體積中的NCL=6×25nH顯示Isat>300A(每相)。
TLVR的FOM一般約為2，從這個角度來看，其相對於FOM=1的分立電感基線已經有所提升。其優勢在於，相較於電流漣波增加，TLVR改善瞬態性能的速度更快。然而，TLVR不只能改善瞬態，同時還會產生一些弊端。例如，由於相位之間的連結以及較低的有效磁化電感和Lc，TLVR電流漣波總是高於相同值DL情況的電流漣波。這會對效率產生不利影響，特別是考慮到增加具有高壓隔離功能的次級繞組時鐵氧體橫截面會減小。本文未考慮鐵氧體損失所導致的額外電感值損失(假設Isat與原始DL相同)。串聯的次級TLVR繞組也會造成潛在的高壓問題，並且通常會導致磁元件的成本增加。
TLVR的瞬態電流擺率通常由Lc設定，但如果Lm足夠低：那麼Lm實際上會使Lc短路，使得瞬態性能更快，但這會產生非常大的電流漣波，進而導致效率受損。
一般而言，TLVR的行為類似於耦合電感，但TLVR的全電流額定值會限制有效Lm，使其表現明顯不佳。在相同的體積下，由於Lm通常要高出幾倍，因此CL或NCL可以實現更高的FOM和性能。因此，在所考慮的例子中，NCL顯示出更高的效率，同時瞬態性能相較於TLVR也有所改善，但卻不存在TLVR方法的成本影響或高壓問題。
NCL與TLVR相比，每相Isat電流能力明顯提高，而這便是一個額外的好處(上例中差異大於4.5倍)。
(本文作者為ADI研究員)
多相設計/決策/權衡 TLVR性能提升有撇步(1)
多相設計/決策/權衡 TLVR性能提升有撇步(2)