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 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,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
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
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 :
Controller | Output | Phases | Protocol | Package |
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