TLVR 结构
TLVR 结构是一种有效的实现方式，可在多相 VR 的负载瞬变期间加速动态响应。
如图 1 所示，TLVR 结构利用 TLVR 电感器取代传统多相 VR 中的输出电感器。TLVR 电感器可以看作是具有初级和次级绕组的 1：1 变压器。所有 TLVR 电感器都通过连接所有 TLVR 电感器的次级绕组进行耦合。TLVR 电感器次级侧的电流 I立法会，由所有不同相位的控制信号决定。由于耦合效应，一旦 VR 的一相的占空比发生变化以响应负载瞬态，所有相的输出电流可以同时上升或下降。这就是为什么 TLVR 结构可以实现出色的负载瞬态性能。
图 1.（a） 没有 TLVR 结构的传统多相 VR 的电路图和 （b） 有 TLVR 结构的多相 VR 的电路图。图片由 Bodo's Power Systems 提供
基于 Transformer 的 VR
基于 Transformer 的 VR 一直是各种微处理器的有竞争力的电源解决方案。基于变压器的 VR 配备降压变压器，具有高而灵活的降压比、简单紧凑的结构、高效率等特点。与无变压器多相 VR 不同，基于变压器的 VR 允许更高的输入电压，为简化 VR 设计和实现更高的效率开辟了一个全新的世界。
图 2 显示了基于 transformer 的 VR 的一个代表性示例的电路图。VR 电路具有一个带有两个次级绕组的降压变压器，次级侧有一个电流倍增器结构。可以设计更多的次级绕组以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 电路可以并联连接，为各种高性能微处理器提供所需的电流。因此，图 2 所示的 VR 电路是本文中的一个示例。
图 2.一个基于 transformer 的 VR 示例的电路图。图片由 Bodo's Power Systems 提供
TLVR 结构在基于 Transformer 的 VR 中的优势
TLVR 结构可以显着加速 VR 的动态响应，在负载瞬变期间无需任何降压变压器。然而，这种卓越的动态性能伴随着许多挑战。无需任何降压变压器，这些无变压器 VR 通常在 TLVR 电感器的初级和次级侧以低占空比和高电压工作。TLVR 电感器次级侧的高电压秒级导致 TLVR 电感器次级侧产生高循环电流，并在稳态运行期间产生额外的功率损耗。如图 1b 所示，应增加一个额外的电感器 Lc 以限制 TLVR 电感器次级绕组中的循环电流。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 结构时，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，仍然可以实现极快的动态响应，因为耦合效应推动所有相的电流在负载瞬态期间同时响应。由于采用降压变压器，施加到 TLVR 电感器上的电压降低，从而降低了电感器损耗。TLVR 电感器次级侧所需的附加电感器的电感值可以低得多。事实上，通过利用寄生电感，可以消除额外的电感，以及电感带来的进一步损耗和成本。此外，与 TLVR 电感器和附加电感相关的绝缘问题不再是一个问题。
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都被 TLVR 电感取代。此外，在基于 transformer 的 VR 中应用 TLVR 结构时，可以实现两种类型的实现，这在实现此结构时提供了极大的灵活性。图 3 显示了两种实现方式的电路图，使用图 2 中所示的两个 VR 模块并联连接。图 3a 中的实现称为串联，因为 TLVR 电感器的所有次级绕组都是串联的。图 3b 所示的另一种实现称为 串-并行连接。在模块 1 中，L11 和 L12 的次级绕组在与 L13 和 L14 的次级绕组的串联并联之前串联。模块 1 中 TLVR 电感器的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。同样，当两个以上基于 transformer 的 VR 模块并联时，可以实现图 3 中具有 TLVR 结构的两个实现。
设计和实现中增强的灵活性不会增加控制复杂性。相同的控制方案适用于具有 TLVR 结构的基于 transformer 的 VR 的两种实现。这里以基于 transformer 的 VR 为例，其中三个模块并联。在不同 VR 模块的控制信号之间插入相移。在模块 1 和模块 2 之间插入的相移为 60°，在模块 2 和模块 3 的控制信号之间插入 60° 的相移。如果 N 个模块并联，则两个相邻模块之间插入的相移为 180°/N。
施加到所有 TLVR 电感器的电压都可以根据建议的控制方案得出。图 4 总结了两个并联模块的基于变压器的 VR 中所有 TLVR 电感的电压波形。由于图 3 中的两种类型的实现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 就是这种情况。这些电感电压波形有效地解释了为什么图 3b 中的串并联连接是合法的。TLVR 电感器次级侧的电流 I秒，在主降压变压器初级侧的 MOSFET 开关频率为 4× 时具有高频纹波。当 N （N > 2） 模块并联时，电流纹波 I秒将处于更高的频率（开关频率× 2N），并且 I 的幅度秒可以进一步减少。因此，所提出的带移相的控制方案不仅可以减小输出电压纹波，而且可以有效抑制I的纹波秒;因此，TLVR 电感器次级侧的传导损耗。
图 3.两个基于 TLVR 结构的基于并联变压器的 VR 模块的两种实现方式：（a） 串联连接和 （b） 串并联连接。图片由 Bodo's Power Systems 提供
在具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 中不需要额外的电感器。此外，还消除了额外电感带来的额外成本和损耗，大大提高了系统的效率和成本。由于变压器降压比高（小 n），与采用 TLVR 结构的无变压器 VR 相比，TLVR 电感器的电压显著降低。因此，无需在 TLVR 电感的次级侧引入额外的补偿电感 Lc 来抑制电流纹波。有关 TLVR 电感电压的详细信息，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 中起着关键作用秒.为了进一步改善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 4.具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 模块（两个模块并联）中 TLVR 电感器的电压和次级电流波形。图片由 Bodo's Power Systems 提供
原型和实验结果
设计和构建了具有 TLVR 结构的基于 transformer 的 VR 模块的两种实现方式，包括串联连接和串并联连接版本。图 5a 显示了典型 TLVR 电感的 3D 模型。构建的模块原型如图 5b 所示。两个版本的大小与没有 TLVR 结构的版本相同。换句话说，采用 TLVR 电感器来实现 TLVR 结构，无论是串联连接还是串并联连接，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在构建的原型中成功证明。实验装置由两个并行运行的 VR 模块组成，如图 5b 所示。TLVR 电感器的次级侧没有安装额外的电感器。负载瞬态介于 20 A 和 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 具有出色的负载瞬态响应，其中以串并联连接版本为例。为了公平地进行比较，没有 TLVR 结构的情况是通过断开 TLVR 电感器次级侧的连接来实现的。当负载电流从 20 A 上升到 170 A 时，采用 TLVR 结构的基于变压器的 VR 可以快速调节输出电压，峰峰值电压纹波要低得多。
经过进一步改进，采用 TLVR 结构的基于变压器的 VR 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 20 A 至 170 A 的相同瞬态下，由于 TLVR 结构带来的极快响应，峰峰值输出电压纹波仅为 23.7 mV。采用 TLVR 结构大幅加速了动态响应，峰峰值输出电压纹波降低了 62%。测得的 115 kHz 高控制带宽也证明了 TLVR 结构实现了极快的负载瞬态响应。表 1 总结了详细的比较。
图 5.（a） TLVR 电感器的 3D 模型和 （b） 两个基于变压器的 VR 原型，TLVR 结构在演示板上并联。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
表 1.具有 TLVR 结构和无 TLVR 结构的基于 transformer 的 VR 之间的动态响应比较。
结构采用 TLVR 结构无 TLVR 结构
输出电容15.2 毫法郎15.2 毫法郎
电压纹波 （pk-pk）23.7 毫伏62 毫伏
控制带宽115 kHz45 赫兹
相位裕量69°40.7°
图 6.基于变压器的 VR 与 TLVR 结构和无 TLVR 结构的负载瞬态响应比较。图片由 Bodo's Power Systems 提供
图 7.具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 的极快负载瞬态响应。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
基于变压器的稳压器研究
为了进一步展示基于 transformer 的 VR 与 TLVR 结构相结合的好处，本节根据实际应用的规范介绍了基于 transformer 的 VR 研究。实施和测试了带和不带 TLVR 结构的基于 Transformer 的 VR 解决方案，以提供 0.825 V/540 A 的电源轨。表 2 总结了规格和测试结果的详细信息。具有相当的相位裕量和增益裕量，采用 TLVR 结构的基于变压器的 VR 解决方案比没有 TLVR 结构的 VR 解决方案实现了 61% 的控制带宽。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，低于 0.825 V 输出电压的 5%。
在节省 39% 的输出电容后，与没有 TLVR 结构的 VR 解决方案相比，采用 TLVR 结构的 VR 解决方案仍然实现了低得多的峰峰值电压纹波。因此，输出电容的数量减少了 27%，从而大大减小了系统解决方案的尺寸。由于 TLVR 结构实现了快速瞬态响应，输出电容器的成本可以降低 43%。
通常，具有极快动态响应的 TLVR 结构的基于变压器的 VR 可以有效降低输出电容，同时在快速负载瞬变期间保持低输出电压纹波。此外，在具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 中不需要额外的电感器。因此，具有 TLVR 结构的基于变压器的 VR 解决方案可以显著减小总解决方案尺寸，并大幅降低解决方案成本，尤其是输出电容器的成本。两种可供使用的实施方式进一步带来了极大的灵活性;同时，控制复杂性不会增加。
