将特种电感器用于高电流、快速瞬态 DC/DC 转换器

数据中心和服务器机架需要千瓦级功率和数百安电流。设计如此大功率的 DC 电源将是一大难题，即使在低电压下也是如此。这类电源需要微秒级瞬态响应时间，以防止电压轨下陷超过数个毫伏，进而可能导致电路间歇性故障，最终使得问题更加严重。

为了提升对瞬态需求的响应能力，设计人员已转向采用多相 DC/DC 转换器拓扑结构，其中多个单相降压转换器并联工作。然而，不可避免的输出电容器寄生电感和电阻是固有局限性的根源，因此这两者都会减慢转换器的瞬态响应能力。

为消除这一缺陷，业界开发出了一种先进的多相拓扑结构——跨电感电压调节器 (TLVR)。TLVR 成功实施的关键在于两个低电感值、高电流电感器，每个 TLVR 功率相各配备一个，以及在 TLVR 电感器的一次侧安装一个补偿电感器。

本文将探讨高电流 DC/DC 转换器所面临的各种难题，并研究多相 DC/DC 拓扑结构在解决这些难题中的应用。然后，详细阐述补偿电感器在电路中的关键作用，并以 Abracon 的具体产品为例，说明如何满足这些电路元件的性能要求。

从单相到多相拓扑结构

在向数据中心和服务器机架等系统提供稳定的电力时，要面临两个相关的挑战。首先，这些系统需要高达数百安的电流。为了满足这种稳定的最大电流需求，可采用一种合适的开关转换器设计，该设计通过大容量电容器来滤除开关纹波。

第二个挑战是由于负载瞬变引起的一种动态挑战，负载会从空载或低负载状态迅速增加到满载状态。达到满载状态对于减少功率消耗并最小化热问题来说至关重要。转换器必须在数微秒内做出响应，同时在电源轨的标称电压范围内不得出现过冲或欠冲现象。

尽管解决这些矛盾具有挑战性，但电源和转换器设计人员已经找到了多种方法来实现上述目标。

从单相转换器开始

标准降压 (Buck) 开关拓扑 DC/DC 转换器采用单相方法（图 1 左）。该转换器采用 DC 输入电源轨，并将其进行斩波处理后生成类似方波的高频 AC 波，然后通过变压器或其他电路进行降压转换。最终所得几乎是纯 DC 波，通过电容滤波后最大限度地减少了纹波，并在负载电流突增时升高电流。为了在负载变化时将输出电压调节至目标电压，转换器会利用反馈信号调节斩波信号的脉冲宽度和占空比（图 1 右侧），以确保其平均值与目标值一致。

图1：为了进行调节，单相转换器（左侧）通过调节开关脉冲宽度的导通/关断占空比（右侧），以保持 DC 输出电压在负载电流变化时保持稳定。（图片来源：Abracon）

然而，这种单相设计在瞬态响应性能方面存在不足。电容器的有效串联电阻 (ESR) 和有效串联电感 (ESL) 的寄生效应是不可避免的，当负载从待机模式切换到峰值需求状态时，这些寄生现象会减慢电容器提供所需电流的响应速度。

此外，当输入电压开始下降时，流向电容器的额外电流必须流经转换器的电感器。虽然对于转换器的某些性能来说，使用较大值的电感器更具优势，但会导致电流的变化速度变慢。因此，电感器需要更长的时间才能达到为电容器充电并满足负载要求的电流值。所以，电感器选型是转换器设计中众多权衡之一。

多相转换器

多相转换器是一种设计巧妙的拓扑结构，消除了单相转换器的局限性。这种拓扑结构采用多个并联连接的单相降压转换器。这样就提高了设计灵活性，使得设计人员能够同时使用多个较小的电感器来驱动负载，而非依赖单独的大型电感器。

负载端电流是所有相电流的总和（图 2 左）。由于每相的电感值低于单相设计，因此电流上升速度更快。这使得在负载瞬变期间响应速度更快且电压降更低（图 2 右侧）。

图2：通过采用以并联形式连接的多相结构（左）并叠加各相的输出，多相转换器的瞬态响应速度显著提升，且具有比单相拓扑结构更低的压降（右）。（图片来源：Abracon）

典型的设计规范是将单相电流限制在 30 A 至 40 A 之间，但实际应用中可能会更高。多相设计通常包含 2 至 8 相，但实际相数可根据实际需求增加。选择较少的高功率相还是较多的低功率相，需综合权衡电气性能、物理尺寸、物料清单 (BOM) 及成本等多方面因素。

通过 TLVR 技术提升多相转换器的性能

多相电路的输出需要时间来调节相位，因为这些相位是依次触发的。在经过巧妙改进的电路中，可通过控制各相在负载突变时的触发方式，来缩短转换器的响应时间。采用 TLVR 方法可实现上述目标。

该多相 DC/DC 转换器拓扑结构通过经由电感器增加的串联次级绕组，使所有相位相互耦合，从而实现了更快的瞬态响应。相应地，这又使得在负载增加时，各相能够同时感应电流（图 3）。

图 3：TLVR 拓扑结构通过添加相间电感器（顶部）与各相进行耦合，使各相能够尽早地“感知”电流需求（底部）。（图片来源：Abracon）

在 TLVR 拓扑结构中至关重要的是 TLVR 电感器和补偿电感器。前者是特种变压器，其初级和次级绕组由两个铜片组成，可以最大限度地减少 DC 损耗（图 4）。两个线圈均嵌入由铁氧体或铁基材料制成的磁芯内，从而实现初级侧与次级侧的磁耦合。TLVR 设计与基本多相配置的关键区别在于，每个 TLVR 电感的初级绕组被用作每相的输出电感。

图 4：TLVR 电感器是一种特种变压器，用于将每相的输出连接到下一相。（图片来源：Abracon）

此外，所有相的次级线圈均串联连接至单独的补偿电感器 (LC) （图 3 右上）。每个初级绕组电压都传递至相应的次级绕组上。由于所有次级绕组均采用串联方式连接，补偿电感承受的是这些波形的叠加总和。

在实际运行中，当从转换器中提取的电流增加时，由于电容器存在寄生 ESR 和 ESL，会导致输出电压开始下降。反馈控制回路检测到电压跌落时，会随即提升当前导通相的驱动强度，通过加大该相电流输出以抑制电压跌落，满足新的负载需求。

这就是为什么 TLVR 比传统多相转换器的性能更优异。当某相需求电流增大时，由于次级绕组与所有其他相位的耦合作用，这种新的电流波形会传递至所有初级绕组。这样的结果是，由于某相电流响应反馈系统并在其他相感应出电流，导致所有相的电流几乎瞬时同步增加。

TLVR（Trans-Inductor Voltage Regulator）名称中的“trans-inductor（跨电感）”，正是源于这种相间电感耦合的方法。所有相对负载变化的集体响应，能够直接跳过控制器触发其他各个相位所需的时间间隔，从而实现更快的瞬态响应。

TLVR 电感器通常采用 1:1 匝数比，即两个电感值相同。电感值主要取决于占空比和允许的纹波电流值。

电感器设计是 TLVR 性能的关键。

如电阻器、电容器和电感器等无源元件常被视为简单器件。虽然这些概念在理论上较为简单，但实际情况却复杂得多，充满了诸多微妙之处。电感器或许是最具欺骗性的元件，因为从原理上讲，它“仅仅”是一段弯曲或绕制的导线或导体。

如前所述，在 TLVR 拓扑结构中，每个功率相都需要一个 TLVR 电感器（Lm_n）（见图 5 底部），这使得系统级电流供应能力超过数百安培。

相比之下，在 TLVR 拓扑结构的初级侧，仅需一个补偿电感器（Lc₁）（图 5 顶部）即可调节电源。该电感器通过平滑电压并调整其相位实现上述目标，因此可增加相位裕度并确保稳定运行。

图 5：完整的 TLVR 多相转换器需要每相采用一个 TLVR 电感用于相间耦合，再加上一个补偿电感以确保稳定运行。（图片来源：Abracon）

AVR 系列组合电感器

TLVR 设计中使用的补偿电感器必须具有低 DC 电阻，能够承受高电流，在宽温度范围内工作并且体积小巧。Abracon 的 AVR 系列组合电感器（图 6）凭借出色的性能满足这些要求，具体包括：采用铁氧体基结构，电感范围为 22 纳亨（nH）至 680 nH，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，DC 电阻 (DCR) 低至 0.100 毫欧 (mΩ）以及饱和电流高达 160 A。

图6：AVR 系列组合电感器专为传统 DC/DC 转换器及 TLVR 拓扑结构的补偿需求而设计，其结构、关键参数值、尺寸等均经过精心优化。（图片来源：Abracon）

该补偿电感器的封装设计也是实现紧凑型转换器成功设计的关键。虽然模压电感器曾是紧凑型转换器应用的标准选择，但这些组合电感器能以更低的成本实现更优性能。

例如，AVR-1F070605S90NLT 是一款屏蔽型 90 ±15% nH 电感器 (0.1 MHz/1.0V)，尺寸约为 6 mm × 7 mm。其 DC 阻抗 (DCR) 为 0.17 ±30% mΩ，典型饱和电流在 +25°C 时为 50 A，在+100°C 时仅略微下降至 45 A。

对于高电流应用，AVR-1Z090610SR12KT 是一款非屏蔽型 120 ±10% nH 电感器（800 kHz 和 0.8 V）。这款 9.5 mm × 10 mm 器件的典型 DCR 为 0.10 mΩ（最大值为 0.12 mΩ），以及在 +25°C 时的饱和电流为 90 A，+100°C 时为 75 A。

结语

从单相 DC/DC 转换器演进至多相方案，再过渡到 TLVR 拓扑结构，能够在需要极快瞬态响应与高输出精度的重负载电流、快响应速度应用中实现更优的性能。通过为每相添加一个 TLVR 电感器，并配合一个单纯的补偿电感器，可以使该设计方案满足设计目标。对于必要的补偿电感器，Abracon 的 AVR 系列组合电感器为多相电压调节提供了先进的高性价比解决方案。