利用TLVR電感改善核心電源效能

利用TLVR電感改善核心電源效能

在這萬物皆連網的今日,網際網路已經和你我的生活息息相關,但是這一切的背後都是建構在資訊雲的基礎上,而所謂的資訊雲就是我們口中的資料中心,也就是我們所熟知的知名大數據公司,如 Google , Amazon , Facebook … 等,然而建構出資料中心所需設備甚鉅,其中 Data Center Server and Data Center Switch 更是其主要設備中的骨幹。

時到今日,使用者對於網路需求日趨依賴,大量的資料和精準快速的傳遞要求也日趨嚴苛,如何滿足使用者需求,日益困難,其後面所需設備數量和電源的功耗也是日益倍增,如何達到高能量傳遞且安全的運行且保有較高的產品可靠度,TLVR (Trans -inductor Voltage Regulator) 就是在這樣的要環境要求下,騰空出世。

TLVR電感的優點

  • TLVR電感在不違背耦合電感或變壓器耦合的專利的情況下,優化耦合性能。
  • 不犧牲其他關鍵性能參數的情況下,實現極快速的瞬態響應。
  • 通過增加瞬態響應,可以減少大量輸出電容。提高了電路的可靠度,且降低了電容的成本
TLVR

TLVR 架構

  • 每一相均搭配一個TLVR電感,每一相位均能獨立抽載,且有各自的漣波電流。
  • 每一個輸出的TLVR電感繞組,有各自的一次繞組和二次繞組,且一次和二次繞組的線圈比為1:1。
  • TLVR電感的繞組型式,可以為單個一次對應單個二次,或是 單個一次對應多個二次。目前瑞薩主要還是為一對一的型式。
  • 如果將Lc電感開路,其電路則恢復成原始BUCK轉換器中的分離電感。
  • 如果將Lc電感短路,意味著每相位之間的關聯性最強,具最快的暫態效能,但會使電流紋波和效率相對勢微。

TLVR 電感介紹

TLVR 電感介紹

TLVR電感構造如上,除了最外面(一次繞組)所形成的電感之外,內部兩的pin就會形成(二次繞組)的電感,這部分也是和傳統電感的主要區別。

TLVR電感佈線和傳統電佈線路主要差異

TLVR電感佈線和傳統電佈線路主要差異,可以參考以上的線路,在電感下方需要將每個二次繞組的電感串聯起來,並且在外部加入一顆Lc電感,這一連串電感的串聯也是主要TLVR線路架構。

傳統電感 和 TLVR電感動態載比較

傳統電感和TLVR電感動態載比較

測試條件

VIN: 12V , Vout:0.75V , LL:0.1mΩ, fw:600kHz,16PH: ISL99390

傳統電感: 100nH; TLVR電感: 150nH and Lc =70nH。

請參考上面的波形,在使用相同板子和相同輸出電容的前提下,我們來驗證傳統和TLVR電感,在瞬態負載變動所帶來的影響,藍色的負載電流波形,由830安培瞬間下降至 30安培,發現黃色的輸出電壓波形,在使用不同的電感,會有非常大的差異,TLVR電感能有效的抑制負載變動所帶來的電壓變化,反觀傳統型的電感電壓變化就非常劇烈,傳統型如果要抑制輸出電壓波形變化,輸出端電容就要額外增加非常多顆,去抑制這樣的輸出電壓波形變化,所以使用TLVR電感,不僅能節省輸出端電容數量,也讓使空間利用率大大改善,但是這些都還是要看核心電源晶片使否有支援相關的應用,有鑑於此,瑞薩第三代數位核心電源晶片就支援這樣的應用。

傳統型和TLVR型電感工作原理

傳統型和TLVR型電感工作原理 傳統型
傳統型和TLVR型電感工作原理
傳統型和TLVR型電感工作原理 TLVR型
傳統型和TLVR型電感工作原理

瑞薩是目前支援TLVR廠商之一,以下元件均可符合TLVR設計

Renesas Intel VR14 Platform, GEN3 Controller :

ControllerOutputPhasesProtocolPackage

ISL69260

2

8

VR14/VR13

5X5mm QFN

RAA229126

2

12

VR14/VR13

6X6mm QFN

RAA229817

1

16

VR14/VR13

6X6mm QFN

RAA229128

2

16

VR14/VR13

8X8mm QFN

Renesas AMD SVI3 Platform, GEN3 Controller :

Controller

Output

Phases

Protocol

Package

RAA229620

2

12

SVI3

6X6mm QFN

RAA229621

2

8

SVI3

5X5mm QFN

Renesas Smart Power Stage:

Product

Current Rating

Package

PWM Logic Support

ISL99390

90A

5X6mm

3.3v

RAA221491

90A

5x6mm

3.3v

RAA221490

90A

4x6mm

3.3v

RAA221450

50A

4x5mm

3.3v

RAA221320

20A

4x5mm

3.3v

RAA221340

40A

4x5mm

3.3v

如上所提,瑞薩第三代控制器 + 智能功率模組 和 瑞薩GUI (Graphical User Interface),不論您主晶片是搭配AMD或是Intel CPU,瑞薩的核心電源解決方案均有支持,瑞薩核心電源的第三代方案,除了支援傳統型電感架構,你也可選用新一代TLVR電感架構,對於設計者而言,只需選擇瑞薩電源方案,就能涵蓋您目前大多數的電源設計,可減少您選料困擾,且數位化控制的結構,也可節省您設計除錯的時間,讓產品快速上市,增加市場競爭力。

參考文獻

1. Fast multi-phase trans-inductor voltage regulator,Digital Commons, https://reurl.cc/VRGVDQ

2. TLVR 高壓注意事項, Alexandr Ikriannikov, https://reurl.cc/YdMzeX

3. Renesas presentation

- Couple Inductor and TLVR

- Renesas TLVR Design Equations

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