如今，多相 VR 发挥着越来越重要的作用，因为它们被用来为各种微处理器（例如 CPU、GPU 和 ASIC）供电。近年来，这些微处理器的功耗需求急剧增加，特别是在电信和一些新兴应用中，例如加密货币挖矿和自动驾驶系统。因此，微处理器需要更高的电流和更高的转换速率。因此，VR 需要在负载瞬态期间具有更快的动态响应，以满足输出电压纹波要求。从系统尺寸的角度来看，极快的动态响应对于减少所需的输出电容并缩小输出
电容器的尺寸非常有吸引力。此外，更小的输出电容和更少的输出电容器有利于系统成本。本文将介绍一种基于
变压器的 VR 解决方案，其采用 TLVR 结构，旨在实现极快的负载瞬态响应，并大幅缩小输出电容器的尺寸和成本。当在基于变压器的VR解决方案中引入TLVR结构时，可以轻松解决TLVR结构的传统挑战。
将提供设计和实施细节，并通过基于实际应用的研究来展示综合效益。还应该指出的是，本文中的设计和实现细节目前正在申请。
TLVR 结构是加速多相 VR 负载瞬变期间动态响应的有效实现。1,2,3 如图 1 所示，TLVR 结构利用 TLVR 电感器来取代传统多相 VR 中的输出电感器。TLVR 电感器可以被视为具有初级绕组和次级绕组的 1:1 变压器。所有TLVR电感的耦合是通过连接所有TLVR电感的次级绕组来实现的。TLVR 电感次级侧的电流 I LC，由所有不同相位的控制信号决定。由于耦合效应，一旦 VR 的一相占空比发生变化以响应负载瞬变，所有相的输出电流就会同时上升或下降。这就是为什么TLVR结构能够实现优异的负载瞬态性能。
图1：(a)不带TLVR结构的传统多相VR的电路图和(b)具有TLVR结构的多相VR的电路图。
图1：(a)不带TLVR结构的传统多相VR电路图和(b)具有TLVR结构的多相VR电路图
图 2 显示了基于变压器的 VR 的一个代表性示例的电路图。VR电路采用降压变压器，具有两个次级绕组，次级侧具有倍流器结构。可以设计更多的次级绕组来实现更高的输出电流和功率密度，并且次级侧不需要额外的控制信号。通过适当的控制电路和策略，图 2 中的多个示例 VR 电路可以轻松并联，为各种高性能微处理器提供所需的电流。因此，本文以图 2 所示的 VR 电路为例。
图 2：基于变压器的 VR 示例的电路图。
图 2：基于变压器的 VR 示例的电路图
TLVR 结构在基于变压器的 VR 中的优势
事实证明，TLVR 结构可以在负载瞬态期间显着加速 VR 的动态响应，而无需任何降压变压器。然而，如此卓越的动态性能也带来了诸多挑战。1,2,3由于没有任何降压变压器，这些无变压器 VR 通常在 TLVR 电感器的初级侧和次级侧施加低占空比和高电压的情况下运行。TLVR 电感器次级侧的高电压二次导致 TLVR 电感器次级侧的高循环电流以及稳态操作期间的额外功率损耗。因此，如图 1b 所示，需要一个额外的电感器 L c应添加限制 TLVR 电感器次级绕组中的环流的电流。1 额外的电感器进一步增加了系统损耗和成本。
在基于Transformer的VR中引入TLVR结构可以顺利解决TLVR结构带来的挑战。通过将TLVR结构与降压变压器相结合，由于主变压器的高降压比，TLVR结构的缺点变得不那么明显。同时，由于耦合效应推动负载瞬变期间各相电流同时响应，因此仍然可以实现极快的动态响应。由于降压变压器的存在，施加到 TLVR 电感器上的电压变得更低，从而降低了电感器损耗。TLVR 电感器的次级侧所需的附加电感器的电感可以低得多。事实上，通过利用寄生电感，可以消除额外的电感器，以及电感带来的额外损耗和成本。此外，与 TLVR 电感器和附加电感器相关的绝缘问题不再是问题。
具有灵活 TLVR 结构的基于 Transformer 的 VR
在具有TLVR结构的基于变压器的VR中，电路中的所有输出电感器都被TLVR电感器取代。此外，在基于变压器的VR中应用TLVR结构时，可以实现两种类型的实现，这为该结构的实现提供了很大的灵活性。图 3 显示了两种实现方式的电路图，其中使用了图 2 中所示的两个 VR 模块并联连接的示例。图 3a 中的实现称为串联连接，因为 TLVR 电感器的所有次级绕组都是串联连接的。图 3b 中所示的另一种实现称为串并联连接。在模块1中，L11和L12的次级绕组先串联，然后再与L13和L14的次级绕组的串联连接并联。模块1中TLVR电感次级绕组的这种连接终与模块2中的对应连接串联，如图3b所示。类似地，当两个以上基于变压器的 VR 模块并联时，可以实现图 3 中 TLVR 结构的两种实现方式。
设计和实现中增强的灵活性不会增加控制复杂性。具有TLVR结构的基于变压器的VR的两种实现应用了相同的控制方案。这里以三个模块并联的基于变压器的VR控制方案为例进行介绍。在不同 VR 模块的控制信号之间插入相移。模块1和模块2之间插入的相移为60°，模块2和模块3的控制信号之间插入60°的相移。如果有N个模块并联，则两个相邻模块之间插入的相移为180°/北。
根据所提出的控制方案，可以得出施加到所有 TLVR 电感器的电压。图 4 总结了两个模块并联的基于变压器的 VR 中所有 TLVR 电感器的电压波形。由于图 3 中的两种实现方式具有相同的控制信号，因此电感电压波形也相同。还可以观察到L11和L13具有相同的电压波形，L12和L14也是如此。这些电感器电压波形有效地解释了为什么图 3b 中的串并联连接是合理的。TLVR 电感次级侧的电流，I秒，在主降压变压器初级侧 MOSFET 的 4 倍
开关频率下具有高频纹波。当并联 N (N > 2) 个模块时，I sec的电流纹波将处于更高的频率（2N × 开关频率），并且 I sec的幅度可以进一步减小。因此，所提出的相移控制方案不仅可以降低输出电压纹波，还可以有效抑制I sec纹波，从而抑制TLVR 电感次级侧的传导损耗。
此外，具有TLVR结构的基于变压器的VR不需要额外的电感器。额外电感带来的额外成本和损耗也被消除，这大大有利于系统的效率和成本。由于变压器降压比高（n小），TLVR电感的电压比TLVR结构的无变压器VR大幅降低。因此，无需引入额外的补偿电感L c在二次侧的TLVR电感可以抑制电流纹波。有关 TLVR 电感器电压的详细信息，请参见图 4。在这种情况下，电路中的寄生电感和 TLVR 电感器的漏感在塑造 TLVR 电感器次级侧的电流 I sec 方面起着至关重要的作用。为了进一步提高负载瞬态期间的动态性能，降低TLVR电感器次级侧的漏感和寄生电感非常重要。
图 3：具有 TLVR 结构的两个基于并联变压器的 VR 模块的两种实现方式：(a) 串联和 (b) 串并联连接。
图4：TLVR结构的变压器VR模块（两个模块并联）中TLVR电感的电压和次级电流波形。
图4：TLVR结构的变压器VR模块中TLVR电感的电压和次级电流波形（两个模块并联）
原型和实验结果
设计并构建了TLVR结构的基于变压器的VR模块的两种实现方式，包括串联版本和串并联版本。图 5a 显示了典型 TLVR 电感器的 3D 模型。构建的模块原型如图5b所示。两个版本的尺寸与没有 TLVR 结构的版本相同。也就是说，采用TLVR电感来实现TLVR结构，无论是串联还是串并联，都不会增加VR模块的尺寸。
具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 的极快负载瞬态性能已通过构建的原型成功证明。实验装置由两个并行运行的 VR 模块组成，如图 5b 所示。TLVR 电感的次级侧没有安装额外的电感。负载瞬态介于 20 A 至 170 A 之间，转换速率为 125 A/μs。图6所示的基线比较清楚地说明了具有TLVR结构的基于变压器的VR的出色负载瞬态响应，其中以串并联连接版本为例。为了公平比较，没有TLVR结构的情况是通过断开TLVR电感次级侧的连接来实现的。随着负载电流从 20 A 升至 170 A，
TLVR结构的变压器VR经过进一步改进，实现了极快的负载瞬态响应。详细的瞬态波形如图7所示。在20A至170A的相同瞬态下，输出电压纹波峰峰值仅为23.7mV，这得益于TLVR结构带来的极快响应。采用TLVR结构，动态响应速度大幅加快，输出电压纹波峰峰值降低62%。测得的 115 kHz 高控制带宽还证明了 TLVR 结构实现的极快负载瞬态响应。表 1 总结了详细的比较。
图 5：(a) TLVR 电感器的 3D 模型和 (b) 在演示板上并联具有 TLVR 结构的两个基于变压器的 VR 原型。
图 5：(a) TLVR 电感器的 3D 模型和 (b) 在演示板上并联具有 TLVR 结构的两个基于变压器的 VR 原型
结构具有TLVR结构无TLVR结构
输出电容15.2毫法15.2毫法
电压纹波（峰-峰）23.7毫伏62毫伏
控制带宽115kHz45kHz
相位裕度69°40.7°
表1：具有TLVR结构和不具有TLVR结构的基于变压器的VR的动态响应比较
图 6：具有 TLVR 结构和不具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 的负载瞬态响应比较。
图6：具有TLVR结构和不具有TLVR结构的基于变压器的VR的负载瞬态响应比较
图 7：具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 的极快负载瞬态响应。
图 7：具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 的极快负载瞬态响应
分析
为了进一步展示基于变压器的 VR 与 TLVR 结构相结合的优势，本节介绍了基于实际应用规范的基于变压器的 VR 的研究。具有和不具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 解决方案均经过实施和测试，可提供 0.825 V/540 A 电源轨。表2总结了详细的规格和测试结果。在具有可比较的相位裕度和增益裕度的情况下，具有TLVR结构的基于变压器的VR解决方案的控制带宽比没有TLVR结构的VR解决方案高出61%。因此，再次证明了 TLVR 结构实现的极快瞬态，如图 8 所示。峰峰值输出电压纹波仅为 40.92 mV，比 0.825 V 输出电压低 5%。
与没有TLVR结构的VR解决方案相比，具有TLVR结构的VR解决方案在节省了39%的输出电容的情况下仍然实现了低得多的峰峰值电压纹波。因此，输出电容器的数量减少了 27%，从而大大减小了系统解决方案的尺寸。此外，由于 TLVR 结构实现了极快的瞬态响应，输出电容器的成本可降低 43%。
一般来说，基于变压器的VR具有TLVR结构，具有极快的动态响应，可以有效地降低输出电容，同时在快速负载瞬变期间仍然保持低输出电压纹波。此外，具有TLVR结构的基于变压器的VR不需要额外的电感器。因此，采用TLVR结构的基于变压器的VR解决方案不仅可以显着减小总体解决方案尺寸，而且可以大幅降低解决方案成本，特别是输出电容器的成本。两种可供使用的实现方式进一步带来了极大灵活性的好处，同时并没有增加控制复杂度。
图 8：具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 在 150 A 至 350 A 负载瞬变（三个 VR 模块并联）下的极快负载瞬态响应。
图 8：具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 在 150 A 至 350 A 负载瞬变（三个 VR 模块并联）下的极快负载瞬态响应
概括
微处理器的 VR 解决方案需要具有加速的动态响应，因为微处理器在各种应用中会消耗更高的电流和更高的转换速率。本文介绍了具有TLVR结构的基于变压器的VR，以在微处理器负载瞬变期间实现极快的动态响应。通过将基于变压器的VR与TLVR结构相结合，可以轻松解决TLVR结构由于主变压器降压比大而面临的传统挑战。可以显着减少TLVR电感的过多损耗，并且不需要额外的补偿电感，从而降低损耗和成本。此外，在基于变压器的VR中实现TLVR结构时可以采用两种类型的实现方式，这为设计和实现提供了很大的灵活性。两种实现都可以使用相同的控制方案并行覆盖多个 VR 模块。实验结果证明，与没有TLVR结构的同类方案相比，这两种实现方式都能实现极快的负载瞬态响应，控制带宽提高2.56倍，峰峰值电压纹波降低62%。详细的研究进一步展示了具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 在解决方案尺寸和成本方面的综合优势。
