在多相降壓轉換器中使用耦合電感提高效率

多相降壓轉換器廣泛用於 12 V 應用，例如資料中心、人工智慧 (AI) 系統和通訊基礎設施。這些使用案例有個共同主題就是要在不影響效能或增加實體佔用空間的情況下提高效率。

有個效果可期的作法就涉及耦合電感 (CL)。利用相位之間的互感，CL 可促成優異的電流漣波消除，進而大幅提升效率，同時維持與傳統佈局的相容性。

本文將概述多相降壓轉換器設計人員所面臨的效率和佈局難題。接著會介紹 CL、展示可驗證效率改進的實驗結果，並且說明如何應用在 Analog Devices 的轉換器中。

傳統多相降壓轉換器面臨的效率難題

在高效能運算和通訊系統中，電力傳輸效率的損耗會對系統成本、可靠性和熱管理造成巨大衝擊。傳統多相降壓設計的設計人員經常面臨這方面的挑戰，尤其是在切換和 AC 損耗變得更加明顯的輕負載情況下。

此外，功率級的佈局和機械限制也會限縮可用於提高效能的選項。在許多系統中，可加大元件尺寸的空間很小，且在常見的佔地面積策略下，要改變印刷電路板 (PCB) 的佈局可能也行不通。

因此，若有無需大幅更改電源架構就可提升效率的作法，就會吸引眾多目光。理想情況下，這類解決方案可維持相同的佔地面積，因此能使用既有的輸出電容 (C_O)，並在多種負載條件下維持暫態效能。

CL 能減少漣波並改善切換損耗，因此能滿足這些要求，且只需與傳統設計相同的實體佔地面積即可達成。

CL 如何改進電源轉換

CL 提供有效的方法，可在不改變佈局的情況下，將多相降壓轉換器的效率提高。CL 並不像傳統設計將各相位視為電氣獨立，而是共用一個標準的磁性結構，可在相位之間達到交互作用。

此交互作用受到兩個關鍵參數控制：漏電感 (L_k) 和互感 (L_m)。漏電感的作用類似於傳統設計中的相位感應 (L)，而互感則會在相位間引進磁耦合。當一個相位的電流增加，就會在另一個相位中感應出與電流變化相反的電壓，因此會產生明顯的漣波電流抵銷情況。

方程式 1 和 2 可指出傳統離散式電感 (DL) 設計 (dIL_DL) 和 CL 設計 (dIL_CL) 的預期漣波電流。這些電流取決於輸入和輸出電壓 (V_IN、V_O)、電感值 L、L_k 和 L_m、切換頻率 _(FS) 和「效能指數」(FOM)。

 方程式 1

 方程式 2

說明：

ρ = 耦合係數 = L_m/L

D = 工作週期

N_ph = 耦合相位數

方程式 3 列出 FOM 的計算過程。此方程式可顯示出各參數所達到的漣波抵銷程度。具體來說，FOM 取決於 ρ、N_ph 和 D。

 方程式 3

說明：

j = 底限 (D × N_ph)

雖然 FOM 取決於眾多因素，但耦合係數 ρ 有關鍵作用。為了說明這一點，有個實際範例很有幫助。

評估耦合電感的漣波電流

圖 1 顯示應用的 FOM 值，當中的 V_IN 為 12 V、V_O 為 1 V、D 為 ~0.083 且常規 DL 值為 100 (nH)。為了將此設計升級到 CL，同時用相同的 C_O 庫維持暫態效能，CL 的 L_k 必須為 100 nH。如此就會將 L_m 視為設計變數。L_m 值越高，漣波越低，但有 260 nH 的保守 L_m 就足以達到想要的大多數優勢。

圖 1：在此顯示四相 CL 在 D 作用下之各種 L_m/L_k 值時的 FOM 值；感興趣區域會強調顯示。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

即使採用這種相當保守的設計，漣波降低效果已足以達到更低的切換頻率。此情況如圖 2 所示，更比較不同電感配置和切換頻率下的電流漣波。此圖指出，工作頻率 400 kHz 的 CL 可維持比 800 kHz 之傳統設計更低的漣波。

圖 2：在 V_O 作用下，當 V_IN = 12 V 時，DL = 100 nH (800 kHz) 和 CL = 4 × 100 nH (800 kHz、400 kHz) 的電流漣波。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

降低的切換頻率可直接達到更低的切換損耗，包括電晶體切換損耗、MOSFET 本體二極體中的失效時間損耗、逆向恢復損耗和閘極驅動損耗。這些與頻率相關的損耗會隨著切換頻率的降低而成比例地降低，因此可大幅提升效率。

效率的增加在輕負載下最為明顯，且此時，AC 損耗因無論輸出電流為何都有固定的本質，因此會更為突出。但優勢可延伸至整個負載範圍。圖 3 顯示的實驗結果針對採用 400 kHz 耦合電感的八相系統與 600 kHz 的傳統設計進行比較，可看出在峰值效率下提高約 1%，滿載時則提高 0.5%。

圖 3：採用共同封裝的八相 DL = 100 nH (虛線) 和 2 × CL = 4 × 100 nH (實線) 設計的實測效率比較圖。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

在不犧牲暫態響應的情況下增進效率

值得注意的是，這些效率改進是在無損暫態效能的情況下達成的。圖 4 顯示四相降壓轉換器的暫態行為，在 V_IN = 12 V、V_O = 0.9 V、負載階段為 135 A 下，針對採用離散電感 (600 kHz 時 DL = 100 nH) 的八相設計以及採用兩個 CL 的配置 (各 CL 處理四相，在 400 kHz 時 2 x CL = 4 x100 nH) 進行波形的比較。使用相同的電流迴轉率和 C_O，會產生可比擬的暫態響應。

圖 4：此為八相 DL = 100 nH (600 kHz) 和 2 × CL = 4 × 100 nH (400 kHz) 在 V_IN = 12 V、V_O = 0.9 V、負載階段為 135 A 下的暫態表現。相同的板件、相同的 C_O、相同的條件。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

雖然 CL 的較低切換頻率通常會縮小回授頻寬，但有兩個因素可抵銷此限制：多相架構的固有優勢和耦合設計提供的增強相位裕量。之所以能提高相位裕量，是因為工作週期為了因應某一相位的暫態事件時會跟著改變，而所有耦合的相位電流都會同時反應。

較低的損耗可帶來更優異的熱效能，反過來又可以提高長期可靠性，並有可能降低熱受限系統中的散熱要求。這些優勢都可在維持與現有佈局的相容性下同時達成。

挑選多相降壓轉換器用的元件

為了實作高效的多相降壓轉換器，可以關注三個關鍵元件：穩壓器控制器、功率級積體電路 (IC) 和 CL。控制器可管理相位計時和同步，功率級可處理大電流切換，CL 則可促成漣波消除，進而提高效率。

在控制器方面，Analog Devices 的 MAX16602GGN+T (圖 5) 是不錯的選擇。此裝置採用 56-QFN (7 mm × 7 mm) 封裝，可支援八相電軌和單獨的單相電軌。值得注意的特點包括自主切相、透過 PMBus 進行遙測、整合式故障保護和記錄，以及內部 1.8 V 偏壓穩壓器。這些特點可在多相穩壓器系統中促成精確控制、減少元件數並增強暫態響應。

圖 5：MAX16602GGN+T 穩壓器控制器可支援多達八相。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

功率級可以使用 Analog Devices 的 MAX20790GFC+T 來實作 (圖 6)。此智慧功率級將 MOSFET、閘極驅動器和電流感測都整合到單一 12-FC2QFN (3.25 × 7.4 mm) 封裝裝置中。可在 300 kHz 至 1.3 MHz 的切換頻率範圍內運作，因此設計人員能達到最佳化的 CL 設計效能。主要特點包括透過控制器 PMBus 進行遙測和故障回報，以及進階的自我保護功能。

圖 6：MAX20790GFC+T 智慧功率級將 MOSFET、閘極驅動器和電流感測都整合到單一裝置中。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

有個合適的 CL 範例是 Eaton 的 CLB1108-4-50TR-R (圖 7)，其將四個緊密耦合的 50 nH 相位整合到單一封裝內。此元件的結構可支援高飽和電流和熱效能，因此非常適合高要求的 AI 和資料中心工作負載。

圖 7：CLB1108-4-50TR-R 是一款 4 x 50 nH 耦合電感。(圖片來源：Eaton)

在典型配置下，MAX16602 控制器可驅動多達 8 個 MAX20790 功率級，每個輸出相位都會連接到雙通道四相 CL 的對應繞組。與傳統設計相比，這種架構可在電源效率上達到明顯的提升，同時維持相同的實體尺寸和暫態效能。

使用評估硬體測試耦合電感設計

若設計人員想要探索 CL 解決方案，Analog Devices 的 MAX16602CL8EVKIT# 評估套件 (圖 8) 是個方便進行測試與開發的平台。此板件專門設計用於展示 MAX16602 控制器和 MAX20790 功率級 IC 搭配耦合電感使用時的能力。

圖 8：MAX16602CL8EVKIT# 可用於探索多相降壓轉換器設計。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

此評估套件是個實用的公版設計，可展示如何有效整合這些元件。其中含有所有必要的電路，可支援八相電源轉換解決方案，並結合了全面的測量點，可以監測暫態響應等關鍵參數。

結論

CL 能為多相降壓轉換器設計提供顯著的優勢。這些元件可在相位之間引進互感，因此能大幅消除漣波電流，進而降低切換頻率並提高整體效率。重要的是，這些增進效果並不會加大實體佔用面積或損害暫態效能。搭配控制器和功率級晶片組後，這些解決方案能讓設計人員以實用的方式，從傳統拓撲轉換到更有效的磁耦合替代方案。