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TLVR 使用双线圈功率电感器克服多相器件的局限性

作者： Pete Bartolik 2024-05-07

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在处理人工智能、大数据和物联网应用的高性能系统中，半导体处理器发挥着越来越重要的作用。处理器晶体管的不断小型化，电源电压的不断降低，给产品设计人员在电源电路配置方面带来了诸多挑战，但这些问题可以通过跨电感稳压器 (TLVR) 来解决。

为了将更多先进技术挤入 CPU、GPU 和 FPGA 处理器，半导体制造商创造了许多令人难以置信的记录。电源电压不断降低，而电流消耗和总功耗却在不断增加，只是低压电源对电压波动的容忍度极低。据电子元器件制造商 TDK 称，如果需要以 ±3% 的精度提供核心电压，那么 1 V 的电压就需要严格控制在 ±30 mV 精度内。

具有多相占空比调节功能的多相稳压器可以管理突发的大电流负载，但必须以高频率运行，以缩短切换相位的响应时间。由于数据中心的需求超出了现有多相稳压器配置的限制，设计可以在更高频率下运行的电路就成为了服务器电源设计人员所面临的挑战。

多相 TLVR 电路配置于 2019 年首次提出，并迅速被采用来处理低压、大电流应用中的高速负载波动。TLVR 提供高响应性能，同时可最大限度地减少功率损耗。TLVR 还能降低输出电容器的值，从而减少系统成本和占用空间。

同时为多个电感器提供电流

在 TLVR 电路中，每个相位开关都连接到一个带有附加次级绕组的电感器，并且每个次级绕组都与一个补偿电感器串联。为了适应电流需求的激增，该电路可以同时从所有电感器提供电流，而不会显著降低电源电压。

TDK 的 VLBUC 系列双线圈功率电感器设计用于 TLVR，以改善稳压器负载响应，其符合 VR14 代服务器的稳压器规格，能够在可变电流需求下可靠运行。

该公司的 VLBUC12060120R15LF3（图 1）是可以处理大电流的双绕线、铁氧体磁芯线圈功率电感器系列之一。采用专有的电极结构、独特的磁性材料、高饱和磁通密度，并针对高频切换进行了优化，该系列实现了低损耗。该电感器确保两个线圈之间的耐压能力为 100 VDC。

图 1：TDK 用于 TVLR 的 VLBUC12060120R10LF3 双线圈功率电感器示意图。具体规格应以产品规格书为准。（图片来源：TDK）

VLBUC12060120 系列尺寸为 12 mm x 6 mm，高度为 12 mm，提供初级线圈电感范围为 70 nH 至 200 nH、饱和电流范围为 58 A 至 155 A 的版本。工作温度范围：-40°C 至 +125°C。

TDK 利用电路仿真器比较了 8 相多相 VR 与 TLVR 在负载突变时的输出电压变化。假设切换频率为 800 kHz，从 12 V 转换为 1.8 V，使用输出平滑电容器值 1,850 μF，当负载变化为 240 A → 360 A → 240 A 时，多相 VR 中的负载电压波动相对于 1.8 V 为 ±0.3 V。相比之下，TLVR 的输出波动不到 ±0.1 V，电压稳定所需的时间显著减少。此外，输出平滑电容器的值可减小至约 230 μF，或大约为其原始值的八分之一。