作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

多相降壓轉(zhuǎn)換器廣泛用于 12 V 應用，如數(shù)據(jù)中心、人工智能 (AI) 系統(tǒng)和通信基礎(chǔ)設(shè)施。這些用例的一個共同主題是，需要在不影響性能或增加物理空間的情況下提高效率。

一種很有前景的方法是使用耦合電感器 (CL)。通過使用相間互感技術(shù)，CL 可出色的消除電流紋波，從而在保持兼容傳統(tǒng)布局的同時顯著提高效率。

本文將簡要概述多相降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員在效率和布局方面面臨的挑戰(zhàn)。然后介紹 CL，給出驗證效率提升的實驗結(jié)果，并展示如何在 [Analog Devices] 的轉(zhuǎn)換器中應用 CL。

傳統(tǒng)多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率挑戰(zhàn)

在高性能計算和通信系統(tǒng)中，電力傳輸?shù)男蕮p失會對系統(tǒng)成本、可靠性和熱管理產(chǎn)生巨大影響。傳統(tǒng)多相降壓器的設(shè)計人員經(jīng)常面臨這方面的挑戰(zhàn)，尤其是在輕載條件下，開關(guān)和 AC 損耗會變得更加明顯。

同時，功率級布局和機械局限性也限制了提高性能的選項。在諸多系統(tǒng)中，元件尺寸的升級空間極為有限，且面對通用焊盤策略時，印刷電路板 (PCB) 布局的調(diào)整往往難以實現(xiàn)。

因此，人們對無需對電源架構(gòu)進行重大修改就能實現(xiàn)更高效率的方法產(chǎn)生了濃厚的興趣。理想情況下，此類解決方案應保持相同的焊盤布局，允許使用現(xiàn)有的輸出電容 (C O )，并能在各種負載條件下保持瞬態(tài)性能。

CL 通過減少紋波和改善開關(guān)損耗來滿足這些需求，所有這些都與傳統(tǒng)設(shè)計具有相同的焊盤布局。

CL 如何提升電源轉(zhuǎn)換性能

在不改變布局的情況下，CL 為提高多相降壓轉(zhuǎn)換器的效率提供了有效途徑。傳統(tǒng)設(shè)計將每個相位視為電氣獨立的相位，與此不同的是，CL 共享標準磁結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)相之間的相互作用。

這種相互作用受兩個關(guān)鍵參數(shù)的制約：漏電感 (L k ) 和互感 (L m )。漏電感的呈現(xiàn)與傳統(tǒng)設(shè)計中的相電感 (L) 類似，而互感則會形成跨相位磁耦合。當流經(jīng)某一相的電流增大時，會在其他相位產(chǎn)生一個與其電流變化相反的電壓，從而顯著消除紋波電流。

等式 1 和 2 確定了傳統(tǒng)分立電感器 (DL) 設(shè)計 (dIL DL ) 和 CL 設(shè)計 (dIL CL ) 的預期紋波電流。這些電流取決于輸入和輸出電壓 (V IN 、V O )、電感 L、Lk 和 L m 、開關(guān)頻率 (F S ) 以及“品質(zhì)因數(shù)”(FOM)。

等式 1

等式 2

其中：

ρ = 耦合系數(shù) = Lm/L

D = 占空比

Nph = 耦合相數(shù)

等式 3 給出了 FOM 的計算方法。該等式反映了波紋消除程度與各種參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。確切地說，F(xiàn)OM 取決于 ρ、Nph 和 D。

等式 3

其中：

j = floor (D*×* N ph )

雖然 FOM 取決于許多因素，但耦合系數(shù) ρ 起著重要作用。為了說明這一點，我們不妨舉一個實際例子。

評估耦合電感器的紋波電流

圖 1 顯示了電壓輸入 (V IN ) 為 12 V、電壓輸出 (V O ) 為 1 V、D 為 0.083 和傳統(tǒng) DL 值為 100 納亨 (nH) 的應用中的 FOM 值。如需將此設(shè)計升級為 CL，同時保持相同輸出 CO~ 的瞬態(tài)性能，CL 的 Lk 必須為 100 nH。這樣，Lm 就成了設(shè)計變量。Lm 值越高，紋波越小，但保守估計，260 nH 的 Lm 值足以實現(xiàn)大部分所需的優(yōu)勢。

圖 1：顯示了在不同 L m /Lk 值的情況下，4 相 CL 的 FOM 值隨 D 變化的曲線，如圖中突出顯示部分所示。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

即使采用這種相當保守的設(shè)計，更少的紋波也足以實現(xiàn)較低的開關(guān)頻率。這種情況如圖 2 所示，該圖比較了不同電感器配置和開關(guān)頻率下的電流紋波?？梢钥闯?，工作頻率為 400 千赫茲 (kHz) 的 CL 比工作頻率為 800 kHz 的傳統(tǒng)設(shè)計保持了更低的紋波。

圖 2：VIN = 12 V 時，DL = 100 nH (800 kHz) 和 CL = 4 × 100 nH (800 kHz, 400 kHz) 的電流紋波與 VO 的函數(shù)關(guān)系。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

開關(guān)頻率的降低會直接導致開關(guān)損耗降低，其中包括晶體管開關(guān)損耗、MOSFET 體二極管的死區(qū)時間損耗、反向恢復損耗和柵極驅(qū)動損耗。隨著開關(guān)頻率的降低，這些與頻率相關(guān)的損耗也會成正比地減少，從而大幅提高效率。

輕負載情況下，能效提升最為明顯。由于交流損耗具有不受電流影響的固定特性，因此交流損耗會比較突出。而且，在整個負載范圍內(nèi)都具有這一優(yōu)勢。圖 3 顯示了 400 kHz 頻率下使用耦合電感器的 8 相系統(tǒng)與在 600 kHz 頻率下使用傳統(tǒng)設(shè)計的 8 相系統(tǒng)的實驗結(jié)果對比，峰值能效提高了約 1% ，滿載效率提高了 0.5% 。

圖 3：所示為具有相同封裝的 8 相 DL = 100 nH（虛線）和 2 × CL = 4 × 100 nH（實線）設(shè)計的實測能效比。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

在不影響瞬態(tài)響應性能的情況下提高效率

值得注意的是，這些效率的提高并沒有影響瞬態(tài)性能。圖 4 所示為 4 相降壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)特性，比較了采用分立電感器的 8 相設(shè)計（600 kHz 時 DL = 100 nH）與采用兩個 CL 時的配置波形，每個 CL 服務(wù)于 4 相（400 kHz 時 2 × CL = 4 × 100 nH），V IN = 12 V，V O = 0.9 V，負載階躍為 135 A。使用相同的電流壓擺率和 C O ，會產(chǎn)生類似的瞬態(tài)響應。

圖 4：所示為采用相同電路板，提供相同 CO 并在相同條件下，VIN = 12 V、VO = 0.9 V、針對 135 A 負載階躍時的 8 相 DL = 100 nH (600 kHz) 和 2 × CL = 4 × 100 nH (400 kHz) 的瞬態(tài)響應。（圖片來源：Analog Devices, Inc）

雖然 CL 的較低開關(guān)頻率通常會降低反饋帶寬，但有兩個因素可以消除這一限制：多相架構(gòu)的固有優(yōu)勢和耦合設(shè)計形成的較大相位裕度。這種相位位裕度的改善是由于當占空比發(fā)生變化時，所有耦合相的電流都會同時響應一個相位的瞬態(tài)事件。

較低損耗可帶來更好的熱性能，進而提高長期可靠性，并有可能降低熱受限系統(tǒng)的冷卻要求。在實現(xiàn)了所有這些優(yōu)勢的同時，還能保持與現(xiàn)有布局的兼容性。

為多相降壓轉(zhuǎn)換器選擇部件

要實現(xiàn)高效率多相降壓轉(zhuǎn)換器，可重點關(guān)注三個關(guān)鍵部件：穩(wěn)壓器控制器、功率級集成電路 (IC) 和 CL。其中，控制器管理相位的定時和同步，功率級處理大電流切換，CL 用于消除紋波，以實現(xiàn)更高的效率。

就控制器來說，Analog Devices 的 [MAX16602GGN+T] （圖 5）是一個可靠的選擇。該器件采用 56-QFN (7 mm × 7 mm) 封裝，支持 8 相電源軌和單獨的單相電源軌。該器件有多個顯著特點：自主切相、通過 PMBus 進行遙測、集成故障保護和記錄功能，以及內(nèi)置 1.8 V 偏置穩(wěn)壓器。借助這些特性，這種控制器能夠在多相穩(wěn)壓器系統(tǒng)中實現(xiàn)精確控制、減少組件數(shù)量并增強瞬態(tài)響應。

圖 5：MAX16602GGN+T 穩(wěn)壓器控制器可支持多達 8 個相位。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

Analog Devices 的 [MAX20790GFC+T] 器件可用作功率級（圖 6）。這款智能功率級將 MOSFET、柵極驅(qū)動器和電流檢測功能集成在 12-FC2QFN (3.25 × 7.4 mm) 封裝中。該器件的開關(guān)頻率范圍為 300 kHz 至 1.3 兆赫茲 (MHz)，有助于設(shè)計人員優(yōu)化 CL 設(shè)計的性能。該器件的主要功能包括：通過控制器 PMBus 進行遙測并報告故障、先進的自我保護功能。

圖 6：MAX20790GFC+T 智能功率級在單器件中集成了 MOSFET、柵極驅(qū)動器和電流檢測功能。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

[Eaton]的 [CLB1108-4-50TR-R] （圖 7）就是一款合適的典型 CL，該器件在單封裝中集成了四個緊耦合 50 nH 相位。該器件采用支持高飽和電流和高熱性能的結(jié)構(gòu)，因此非常適合要求苛刻的 AI 和數(shù)據(jù)中心的工作負載。

圖 7：CLB1108-4-50TR-R 是一款 4 x 50 nH 耦合電感器。（圖片來源：Eaton）

在典型配置中，MAX16602 控制器可驅(qū)動多達 8 個 MAX20790 功率級，每個輸出相位都與雙 4 相 CL 的相應繞組連接。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，這種架構(gòu)在保持相同的物理尺寸和瞬態(tài)性能的同時，顯著提高了效率。

利用評估硬件測試耦合電感器設(shè)計

對于希望探索 CL 解決方案的設(shè)計人員，Analog Devices 的 [MAX16602CL8EVKIT#] 評估套件（圖 8）為測試和開發(fā)提供了一個便捷的平臺。該電路板專門用于演示 MAX16602 控制器和 MAX20790 功率級 IC、耦合電感器配合使用時的功能。

圖 8：MAX16602CL8EVKIT# 可用于探索多相降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計。（圖片來源：Analog Devices, Inc.）

評估套件是一個實用型參考設(shè)計，用于展示如何有效地集成這些組件。評估套件包括支持 8 相電源轉(zhuǎn)換解決方案所需的全部電路，并集成了全面的測量點，可對瞬態(tài)響應等關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)測。

結(jié)語

CL 為多相降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計帶來了顯著優(yōu)勢。通過在相位間引入互感，這些組件能夠消除大量紋波電流，從而降低開關(guān)頻率，提高總效率。重要的是，在實現(xiàn)這些優(yōu)勢的同時，不會增加物理占用空間或影響瞬態(tài)性能。這些解決方案與控制器、功率級芯片組相結(jié)合，為設(shè)計人員從傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)過渡到更高效的磁耦合替代方案提供了一條切實可行的途徑。