在大電流、快速暫態 DC/DC 轉換器中使用專用電感

資料中心和伺服器機架都需要數千瓦的功率和數百安培的電流。即使在低電壓下，要提供如此多的 DC 電力也是一項設計挑戰。由於需在微秒等級的暫態反應時間內避免超過幾毫伏的電壓軌壓降，以免導致間歇性電路行為，因此難題更加艱鉅。

為了增強對暫態要求的回應，設計人員已轉用多相 DC/DC 轉換器拓撲，將多個單相降壓轉換器並聯在一起使用。然而，此作法有根本上的侷限性，因為輸出電容無法避開寄生電感和電阻，兩者都會拖慢轉換器的暫態反應。

為了解決這個弱點，因此開發了一種名為跨電感穩壓器 (TLVR) 的先進多相拓撲結構。TLVR 成功實作的關鍵在於兩個低值、大電流的電感，分別用於 TLVR 電源的各相位，且在 TLVR 電感的一次側採用單一補償電感。

本文將瞭解與大電流 DC/DC 轉換器相關的挑戰，並探討如何利用多相 DC/DC 拓撲來因應這些挑戰。接著會說明補償電感的關鍵作用，以及如何利用 Abracon 的範例元件來滿足這些電路元件的效能要求。

從單相到多相拓撲

供應穩壓電力給資料中心和伺服器機架等系統會面臨兩個相關的挑戰。首先，需要數百安培的電流。這種靜態最大電流需求可以透過合適的切換式轉換器設計加以滿足，其可採用高值大容量電容來平滑切換漣波。

第二個挑戰是負載瞬變引起的動態挑戰，因為負載會從空載或低負載的閒置狀態 (此時必須降低電力使用，因此散熱問題可降至最低)，迅速增加到完全活動狀態。轉換器必須在微秒內做出回應，但不能過衝或下衝標稱電軌電壓。

雖然要彌合這些矛盾並不容易，但電源供應器和轉換器的設計人員已有方法可達成。

從單相轉換器開始

標準降壓切換式拓撲 DC/DC 轉換器就採用單相作法 (圖 1 左)。採用輸入 DC 電軌，將其截斷成高頻、類方形 AC 電波，然後使用變壓器或其他方式將其降頻轉換。如此可得到近乎純粹的 DC 電力，再由大容量電容進行濾波，以將漣波降至最低，若負載突然需要更多電流，更可提供電流提升。為了在負載變化時將輸出調節成所需電壓，轉換器使用回授來調整截斷訊號的脈衝寬度和工作週期 (圖 1 右)，以確保其平均值與目標值相符。

圖 1：在調節方面，單相轉換器 (左) 會調變切換式脈衝寬度 (右) 的開／關工作週期，以在負載電流變化時維持穩定的 DC 輸出。(圖片來源：Abracon)

然而，這種單相設計在其暫態反應方面仍有缺陷。當負載從睡眠模式切換到最大需求時，電容的有效串聯電阻 (ESR) 和有效串聯電感 (ESL) 有不可避免的寄生，會拖慢反應時間，因為會試圖提供所需的電流。

此外，當輸送的電壓開始驟降時，引導到電容的額外電流必須通過轉換器的電感。基於轉換器效能的特定考量，會偏好採用較大值的電感，但也會導致電流變化率變慢。因此，電感就需要更長的時間才能達到所需的電流值，以對電容充電並滿足負載要求。因此，電感大小在轉換器設計中是眾多權衡項目之一。

邁向多相

多相轉換器是種可克服單相轉換器侷限性的巧妙拓撲結構，採用多個單相降壓轉換器且並聯運作。因此能讓設計人員靈活地同時使用多個較小的電感來驅動負載，而非仰賴單一大型電感。

負載電流是來自所有相位的電流總和 (圖 2 左)。由於每個相位的電感低於單相設計，因此電流上升得更快。這在負載瞬變期間可達到更快的反應和更低的壓降 (圖 2 右)。

圖 2：採用並聯的多相配置 (左) 並將其個別輸出加總後，多相轉換器的暫態反應會比單相拓撲更快且壓降更低 (右)。(圖片來源：Abracon)

典型的設計作法是將單相限制在 30 至 40 安培 (A) 之間，儘管可以更高。多相設計通常由二到八相組成，但也可以有更多相。要在更少、但更強大的相位，以及更多但較弱的相位之間進行選擇，就必須在電氣效能、實體尺寸、物料清單 (BOM) 和成本等眾多層面之間進行諸多取捨。

利用 TLVR 增進多相配置

多相電路的輸出需要時間來調整相位，因為需按順序觸發。在巧妙的電路增強下，可控制每個相位在回應負載瞬變時的觸發方式，藉此縮短轉換器的反應時間。這可透過 TLVR 作法來達成。

這種多相 DC/DC 轉換器拓撲可透過電感，增加二次繞組的串聯連接，將所有相位耦合在一起，如此就可達到更快的暫態反應。如此一來，就可在各相之間同時感應電流，以因應負載的增加 (圖 3)。

圖 3：TLVR 拓撲可添加相間電感 (上) 來耦合相位，以便其更早「瞭解」電流需求 (下)。(圖片來源：Abracon)

TLVR 拓撲結構的關鍵在於 TLVR 電感和補償電感。前者是專用變壓器，其中的一次與二次繞組由兩個銅夾組成，可將 DC 損耗降至最低 (圖 4)。兩個銅夾都裝在鐵氧體或鐵基材製成的磁芯內，因此能讓一次側和二次側達到磁耦合。TLVR 設計與基本多相配置之間的主要區別在於，會將各個 TLVR 電感的一次繞組當作各相位的輸出電感使用。

圖 4：TLVR 電感是一種專用變壓器，可將各相位的輸出連接到下一個相位。(圖片來源：Abracon)

此外，所有相位的二次側都會串聯到單一補償電感 (LC) (圖 3 右上)。每個一次繞組的電壓都會反映在對應的二次繞組上。由於所有二次側都串聯連接，因此補償電感可以看到這些波形的總和。

在運作中，若由轉換器汲取更多電流，基於電容的寄生 ESR 和 ESL，輸出端的電壓會開始下降。回授控制迴路可感測此壓降，並將當下處於活動的相位驅動位準提高，以此作為回應，透過該相位提供更多電流，以限制壓降並滿足新的負載需求。

這就是 TLVR 比傳統多相轉換器的效能更優秀的原因。當指定相位需要更多電流時，新的電流波形會反映在所有一次繞組上，因為二次側與其他所有相位都耦合。結果就是所有相位的電流幾乎都瞬間提升，這是因為一個相位對回授系統有所反應，而引起電流穿越其他相位。

TLVR 名稱中有「跨電感」，就是因為這種跨相位的電感連接作法而來。所有相位對負載變化的集體反應會跳過控制器觸發其他各個相位所需的時間間隔，因此達到更快的暫態反應。

TLVR 電感通常具有 1:1 的匝數比，且兩個電感值相同。電感值主要是工作週期和可接受之漣波電流量的函數。

電感設計是 TLVR 效能的關鍵

被動元件，如電阻、電容和電感等，通常會視為簡易裝置。即便在概念上很簡單，但實際上也挺複雜，有許多微妙之處。電感可能最容易令人受騙，原則上，這「僅僅」是一根彎曲或纏繞的電線或導線而已。

但如上所述，TLVR 拓撲結構中的各個電源相位都需要一個 TLVR 電感 (Lm_n) (圖 5 底部)，以便系統層級的電流供應超過數百安培。

相比之下，TLVR 拓撲的一次側，就只需要單一補償電感 (Lc₁) (圖 5 上) 來調節供應。達成的方法是將相對於電壓的相位進行平滑與調整，進而增加相位餘裕並確保穩定的運作。

圖 5：完整的 TLVR 多相轉換器，在每個相位都需要一個 TLVR 電感進行相間連接，還要一個補償電感來支援穩定運作。(圖片來源：Abracon)

AVR 系列組件電感

TLVR 設計中使用的補償電感必須具有低 DC 電阻、可處理大電流、可在較寬溫範圍內發揮指定效能，而且體積小巧。Abracon 的 AVR 系列組件電感 (圖 6) 就符合這些要求，採用鐵氧體結構，電感範圍為 22 nH 至 680 nH，工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C，DC 電阻 (DCR) 低至 0.100 mΩ，飽和電流高達 160 A。

圖 6：AVR 系列組件電感經過專門設計，在結構、關鍵參數值範圍、尺寸等考量上，都符合傳統 DC/DC 轉換器的獨特需求，並可在 TLVR 拓撲中進行補償。(圖片來源：Abracon)

補償電感的封裝也有助於緊湊型轉換器設計的成功。雖然模製電感以前是緊湊型轉換器應用的標準配置，但這些組件電感能以更低的成本提供更高的效能。

舉例而言，AVR-1F070605S90NLT 是一款屏蔽式 90 ±15% nH 電感 (0.1 MHz/1.0V)，尺寸約為 6 mm× 7 mm。其 DCR 為 0.17 ±30% mΩ，典型飽和電流在 +25°C 時為 50 A，在 +100°C 時僅略微下降至 45 A。

針對較大電流的應用，AVR-1Z090610SR12KT 是一款非屏蔽式 120 ±10% nH 電感 (800 kHz 和 0.8 V)。這款 9.5 mm × 10 mm 元件的典型 DCR 為 0.10 mΩ (最大 0.12 mΩ)，飽和電流在 +25°C 時為 90 A，在 +100°C 時為 75 A。

結論

從單相 DC/DC 轉換器轉換成多相作法，再轉換到 TLVR 拓撲結構，可在負載電流更大且更快速的應用中帶來更優異的效能，提供這類應用所需的明確暫態反應與高輸出準確性。在每個相位上添加一個 TLVR 電感並搭配單一補償電感，就可增強多相設計，讓此作法符合設計目標。若有需要補償電感，Abracon 的 AVR 系列組件電感能針對多相電壓調節提供進階且符合成本效益的解決方案。