适用于服务器电源电路的TLVR电感器

随着云计算、智能手机的普及和5G的发展，通过互联网传输的数据量不断增加，数据中心的信息处理需求也在激增，以便通过使用大数据、物联网和其他数据来支持人工智能等技术的发展和数字化转型 (DX)。
为顺应这种市场趋势，CPU、GPU和FPGA等半导体处理器在制造工艺技术方面取得重大发展，并且越来越倾向于微型化，从而使得单位面积上集成的栅极数量不断增加，工作频率不断提高，信息处理能力显著增强。
在处理器能力提升的驱动下，服务器电源电路也取得了重大进展。

服务器电源的现状

半导体处理器的微型化导致了电源电压的降低，但消耗的电流不降反升，使得功耗持续增加。
低电压和大电流的趋势带来的问题之一是对快速负载波动的响应。
随着电压降低，电压的容许公差变得非常小。比如，为了避免处理器的误操作，若以±3％的精度提供磁芯电压，则电压为1V时的公差必须控制在±30mV。对于服务器专用电源，即使在超过1000A的大电流负载骤变的驱动条件下，输出电压也必须尽可能保持稳定。
应用的低电压大电流发展趋势一直在持续，在此之前通常采用高频化和多相位化来应对。
对于多相VR，仅通过一个相位的占空比控制不足以应对大电流负载波动，需要对多个相位进行占空比控制。
但相位间的切换需要时间，因此需要进一步提高切换频率来加快响应速度。
虽然提高频率对改善负载响应有很大的作用，但同样会极大地增加开关元件的损耗，因此很难通过提高现有电路配置的多相VR的频率来达到服务器电源追求高能效的要求。
此外，通过使用大容量外部电容器可在一定程度上抑制大电流应用的电压波动，但这会增加安装面积和电容器成本。
考虑到上述诸多情况，TLVR(Trans-Inductor Voltage Regulators)是目前应对低电压大电流应用中快速负载波动的主流电路配置。
在这种电路配置中，每个相位开关连接到一个带额外绕组的电感器上，然后将每个相位的绕组和补偿电感器串联成回路，以便同时为每个相位提供电流。这种TLVR能使半导体处理器获得较高的瞬态响应性能，满足负载要求，同时降低电源损耗，而且可保持较小的输出电容值，从而减少安装面积和系统成本。

TLVR中的电路配置

图2解释了TLVR的运行机制。当多相VR中的电流需求突然增加时，为维持输出电压，会增加当时开启的相的占空比，从而增加输出电流。通过增加特定相的占空比可增加该相的输出电流，但如果发生大电流负载变化，电流值将不够用，输出电流的增加将通过增加后续相的占空比来满足。
在这种情况下，确保所需电流需求所需的时间过长，输出电流的回转率较低，无法充分应对快速变化的负载。
另一方面，在TLVR中，与每个相位开关相连的电感器上都增加了额外的绕组，每个电感器中的额外绕组又与补偿电感器串联成回路。通过这种电路配置，在电流需求突然大幅增加的情况下，此时接通的相位的占空比将扩大，从而增加输出电流，并与其他未接通的电感器协同工作，使所有电感器都能在同一时刻提供电流。因此，即使在电流负载发生较大变化时，也能实现较高的负载瞬态响应，而且电源电压几乎不会降低。
TLVR方法不仅能快速供应电流，还能有效减少输出电容，是目前的主流电路配置。

多相VR	TLVR
	(C) (D) New I_Lc after duty Increase @ Phase 3 New I_phase_1 after duty Increase @ Phase 3
图：传统多相VR的电路配置和工作状态 (A) 电路配置 (B) 驱动各相的PWM波形 (C) 负载瞬变期间的电压调节器响应	图：TLVR的电路配置和工作状态 (A) 电路配置 (B) 通过各相电感的电流 (C) 通过次级绕组的电流 (D) 各相输出电流

使用TLVR进行负载响应模拟

在有限条件下，使用电路模拟器作为比较案例，比较8个相位的VR和TLVR在负载突然变化时输出电压的变化。
以下是假设在800kHz开关频率下从12V转换为1.8V，并且输出平滑电容器的电容值为1850μ F时，相对于240A→360A→240A负载变化的电压变化的计算结果。
因此，相对于多相VR的1.8V电压，负载电压波动为±0.3V。
另一方面，TLVR的输出波动小于±0.1V，电压稳定所需的时间大幅缩短。
若将负载波动期间的允许电压波动设定为 ±0.3V，则使用TLVR电路配置时，输出平滑电容值可减少到230µF，几乎为原先的八分之一，电压稳定所需的时间也能大幅缩短。

电路配置	电压波动
多相VR C:1850μF
TLVR C:1850μF
TLVR C:230μF

在TLVR中优化电路配置的VLBUC电感器

在这里我们将介绍针对TLVR电路配置进行了优化的双线圈功率电感器系列VLBUC和Lc补偿功率电感器VLBU6565100。
VLBUC12060120系列是一款支持大电流的双线圈功率电感器，具有高饱和磁通密度、针对高频开关专门优化的磁性材料和独特的电极结构等特点，实现了低损耗。两个线圈之间的绝压高达DC100V。
此外，VLBU6565100系列适用于Lc补偿功率电感器，是一款适合高频应用的低损耗元件。
两者的工作温度范围均为-40至+125°C。

TDK Identification	Coil	Inductance	Lk	K	Test	DC Resistance	Rated DC Current (A)
at 0A (nH)	Tol. (%)	(nH)	(-)	Freq. (kHz)	Spec.Typ (m-Ohm)	Tol. (%)	Isat_20% Typ.	Itemp_40C Typ.
25°C	100°C
VLBUC12060120R07MF3	Primary Secondry	70 60	+/-20% +/-20%	4.4	0.94	100 100	0.125 0.45	+/-10% +/-10%	155	130	70 40
VLBUC12060120R08MF3	Primary Secondry	75 60	+/-20% +/-20%	4.4	0.94	100 100	0.125 0.45	+/-10% +/-10%	148	120	70 40
VLBUC12060120R09LF3	Primary Secondry	90 90	+/-20% +/-20%	4.3	0.96	100 100	0.125 0.45	+/-10% +/-10%	138	110	70 40
VLBUC12060120R10LF3	Primary Secondry	105 105	+/-20% +/-20%	4.2	0.96	100 100	0.125 0.45	+/-10% +/-10%	125	100	70 40
VLBUC12060120R12LF3	Primary Secondry	120 120	+/-20% +/-20%	4.3	0.97	100 100	0.125 0.45	+/-10% +/-10%	106	90	70 40
VLBUC12060120R15LF3	Primary Secondry	150 150	+/-20% +/-20%	4.3	0.97	100 100	0.125 0.45	+/-10% +/-10%	82	70	70 40
VLBUC12060120R17LF3	Primary Secondry	170 170	+/-20% +/-20%	4.3	0.97	100 100	0.125 0.45	+/-10% +/-10%	70	60	70 40
VLBUC12060120R20LF3	Primary Secondry	200 200	+/-20% +/-20%	4.3	0.98	100 100	0.125 0.45	+/-10% +/-10%	58	50	70 40

TDK Identification	Inductance	Test	DC Resistance	Rated DC Current (A)
at 0A (nH)	Tol. (%)	Freq. (kHz)	Spec.Typ (m-Ohm)	Tol. (%)	Isat_20% Typ.	Isat_30% Typ.	Itemp_40C Typ.
25°C	100°C	25°C	100°C
VLBU6565100R10LF4	0.10	+/-15%	100	0.17	+/-10%	83	70	86	73	70
VLBU6565100R12LF4	0.12	+/-15%	100	0.17	+/-10%	65	55	68	57	70
VLBU6565100R15LF4	0.15	+/-15%	100	0.17	+/-10%	50	42	53	44	70