NESP015A May   2024  – April 2026 TPS53689T

 

  1.   1
  2.   摘要
  3. 1 簡介
  4. 2 轉換器暫態響應
  5. 3 磁層
  6. 4 TLVR 拓撲結構運作原理
    1. 4.1 穩定狀態操作
    2. 4.2 負載暫態升壓
    3. 4.3 負載暫態降壓
    4. 4.4 LC 電感器選擇
    5. 4.5 穩定狀態漣波
  7. 5 功率損耗與效率
  8. 6 相位倍增
  9. 7 PCB 配置
  10. 8 TLVR 最佳化元件
  11. 9 範例並排設計
  12. 10摘要
  13. 11其他資源

磁層

由於 TLVR 拓撲結構可在穩定狀態和暫態條件下允許不同的有效電感值,因此探索其使用的耦合電感器架構行為非常有幫助。此概念並不完全只適用於 TLVR 拓撲結構。

圖 7 說明傳統的雙相耦合電感器架構,其中轉換器個別相位的繞組共用一個磁芯。由於磁芯中的磁通量是添加劑,因此其中一個繞組中的電流會直接誘發其他繞組中的電流。在負載暫態期間,單一相位 (單一繞組) 的電流變化會直接導致其他相位的相同方向變化。此行為可讓總轉換器 ISUM 增大或減小,以比相位未耦合更快的速度滿足負載電流需求。

此架構不同繞組間的耦合係數 (K) 通常介於 0.4 與 0.7 之間。此耦合由核心設計妥善控制 (在 圖 7 中,由中腳的氣隙控制)。極高耦合 (K≅1.0) 並無好處,原因在於會增加轉換器在穩定狀態下的電流漣波。極低耦合只會降低可實現的暫態優勢。

 傳統雙相逆耦合電感器。
來源:Eaton
圖 7 傳統雙相逆耦合電感器。

由於多種原因,在高相位數設計 (超過四個相位) 中採用傳統耦合電感器的做法會受到限制。將其延伸至更高的相位數,需要藉由複雜的核心幾何來維持耦合對稱性。此架構也需要對不同設計的電感器採取更多自訂,進而限制了可擴展性;例如,雙相和三相設計需要不同的電感器。此外,直到近期積極的專利保護才會限制多源選擇;TLVR 拓撲結構不存在這種限制。

TLVR 拓撲結構仰賴類似的原理,但具有不同的磁性結構,其稱為間接耦合電感器,如 圖 8 中所示。每個相位電感器都有自己的實體核心及兩個繞組,因此只要新增更多核心,此架構就能輕鬆擴充至更高的相位數。每個耦合電感器的磁化電感 (LM) 皆提供能源儲存和過濾。一個核心上兩個繞組間的 K 可能非常高。將相同的二次側電流傳遞至所有相位,可在核心 (相位) 之間實現耦合,原因在於其是以迴路方式連接。

 間接耦合雙相電感器。
一次側 (連接至功率級)
二次側 (提供耦合)
圖 8 間接耦合雙相電感器。

與傳統耦合電感器類似,在 0.4 至 0.7 範圍內,相位間的耦合係數 (α) 較為有利。二次迴路控制此耦合。二次迴路中的電感可能非常低,其會導致高耦合 (進而產生較大的穩定狀態電流漣波),或因互連和實體結構公差而無法妥善控制。

為了控制相位間的耦合,TLVR 拓撲結構通常會在二次側使用單獨的實體電感器 LC,如 圖 9 中所示。若相較於個別耦合電感器的磁化電感,二次側迴路中的洩漏電感夠大且可透過製造妥善控制,則不需要個別實體 LC,特別是在每相位高於 1 MHz 的高頻率設計切換中。

 間接耦合雙相電感器與實體補償電感器。圖 9 間接耦合雙相電感器與實體補償電感器。

圖 10 說明 TLVR 電感器的典型構造。電感器尺寸和形狀與用於多相降壓轉換器的傳統高電流鐵氧體核心電感器相似,其次級繞組位於主要繞組內。封裝底部的焊盤模式,可與 TLVR 和非 TLVR 設計共同配置在相同的實體印刷電路板 (PCB) 上。

 典型 TLVR 電感器構造。
一次繞組
二次繞組
來源:Eaton
圖 10 典型 TLVR 電感器構造。