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作者：Alexandr Ikriannikov，研究員 Bruce Hu，產品應用工程師 ADI公司 摘要 當客戶要求穩壓器BOM中的所有器件（包括控制器、功率級和磁元件）都有多個供應來源時，統一封裝策略能夠滿足要求。然而，ADI公司并未參與價格戰，而是開發了耦合電感IP來顯著提升系統性能，從而為客戶提供更高的系統價值。 引言 數據中心、人工智能(AI)和通信領域的許多應用使用輸入電壓為12 V的多相降壓穩壓器。圖1(a)顯示了常規8相降壓轉換器，其中分立電感(DL)排成一行，間距為業界典型的8.3 mm/相。圖1(b)顯示了采用相同布局的替代解決方案，其中分立磁元件被替換為兩個4相耦合電感(CL)。 需要思考的是，客戶為什么會選擇這個替代方案？而 ADI 開發這套獨特解決方案背后的動機又是什么，僅僅是為了與眾不同嗎？答案是CL的品質因數(FOM)顯著增加，可以根據客戶的不同優先級進行調整。統一封裝(CF)策略意味著所有器件的占用空間都相同。所以，當解決方案尺寸相同時，優化的重點將放在提高效率上。 對于DL和CL，應考慮它們的基本原理和主要區別。常規降壓轉換器各相的電流紋波可由公式1求出，其中占空比為D = VO/VIN，VO為輸出電壓，VIN為輸入電壓，L為電感值，Fs為開關頻率。 
圖1.8相降壓穩壓器，間距為8.3 mm/相，帶有(a)分立電感和(b)兩個4相耦合電感。 或者，漏感為Lk且互感為Lm的耦合電感中的電流紋波可表示為公式2。1 FOM用公式3表示，其中Nph為耦合相數，ρ為耦合系數（公式4），j為運行指數，定義了占空比的適用區間（公式5）。 通過比較公式1和公式2可知，FOM是主要區分因素，展現了CL在電流紋波消除方面要優于DL。FOM的值取決于多個因素，而在CL中，FOM值通常可以很大，意味著性能大幅提升。不過，單靠FOM優勢本身，并不能保證很大的性能差異。系統必須根據所需的優先級，有意識地利用增加的FOM所帶來的優勢。
CL優化 從VIN = 12 V至VO = 1 V參考設計開始，其中DL = 100 nH提供了基線性能，針對耦合系數Lm/Lk的幾個實際合理的值，繪制了Nph = 4構建模塊的CL FOM，如圖2所示。紅色曲線Lm/Lk = 0表示分立電感的FOM = 1基線。這里的目標是保持相同的瞬態性能和相同的輸出電容槽Co，因此為CL泄漏選擇了相同的100 nH值。如文章“解決耦合電感中的磁芯損耗問題”2和視頻“耦合電感的基礎知識和優勢”1所示，并且在圖2中可以清楚看到，理想情況下，Lm值應盡可能高，使耦合系數最大化（公式4），從而增加FOM。在給定尺寸（h = 12 mm，相位間距8.3 mm/ph）下，合理的Lm = 260 nH可通過極其保守的Isat = 25 A實現，這與允許的相位間電流不平衡有關。請注意，CL的負載能力由Lk的Isat定義，在該CL設計中，Isat為每相>100 A（105°C時），超過DL Isat額定值。 12 V至1 V應用對應的占空比范圍約為D~0.083。對于保守的Lm/Lk = 2.6，圖2中的FOM > 2.5，表明CL中的Fs可輕松降低二分之一，以保持較低的電流紋波。由于與開關頻率成比例的幾種損耗將降低，因此這應該能顯著提高效率。 增加Lm通常有利于減少電流紋波，但圖3表明Lm = 260 nH能夠實現大部分電流紋波消除的好處，且不會出現回報遞減的情況（回報遞減是指進一步增加Lm帶來的改善非常有限）。
圖2.針對一些不同Lm/Lk值，4相CL的FOM與占空比D的函數關系。突出顯示了目標區域。
圖3.VIN = 12 V、VO = 1 V且Fs = 800 kHz條件下，DL = 100 nH和CL = 4× 100 nH時的電流紋波與Lm的函數關系。
圖4.VIN = 12 V條件下，DL = 100 nH (800 kHz)和CL = 4× 100 nH (800 kHz, 400 kHz)時的電流紋波與VO的函數關系。 圖4繪制了相應的電流紋波，比較了VIN = 12 V和Fs = 800 kHz條件下的基線設計DL = 100 nH與建議的四相CL = 4× 100 nH (Lm = 260 nH)。顯然，CL解決方案可以在Fs = 400 kHz時而不是800 kHz時運行，并且與800 kHz條件下的DL = 100 nH相比，仍具有較小的電流紋波。峰峰值紋波較小，意味著所有電路波形的均方根值也會較小，包含傳導損耗。主要的效率提升將來自于Fs減少二分之一，意味著開關損耗、FET體二極管的死區時間損耗、反向恢復、柵極驅動損耗等將大幅減少。請注意，最顯著的效率改進將出現在輕載條件下，此時交流損耗更為明顯。然而，一些損耗（例如開關轉換過程中的電壓和電流重疊）與負載電流成比例，因此效率提升在滿載時也將顯而易見。 開發的4× 100 nH耦合電感如圖5所示。請注意，引腳布置符合DL占用空間要求，兼容多個來源和替代方案。
圖5.開發的CL = 4× 100 nH，33.5 mm × 10 mm × 12 mm。 實驗結果 四相降壓轉換器的瞬態性能如圖6所示，比較了8相DL = 100 nH (600 kHz)和2× CL = 4× 100 nH (400 kHz)的波形。正如預期的那樣，相同的電流擺率和相同的輸出電容導致瞬態性能相似。由于一個相位的占空比瞬態變化會導致所有相位電流同時變化，因此耦合相位能夠有效增加反饋環路的相位裕量，再加上多相拓撲，能夠緩解因CL開關頻率降低而造成的潛在反饋帶寬降低。 圖7顯示了不同開關頻率下的相應效率比較，其中虛線表示DL，實線表示CL。在高開關頻率下，CL和DL的電流紋波都不顯著，因此效率相似。但由于CL具有明顯的電流紋波優勢，所以降低CL的Fs會令整體損耗大幅減少，且電流紋波增加不會對其造成太大的影響。DL解決方案的效率也隨著Fs的降低而提高，但速度會越來越慢，因為過大的電流紋波會使波形的均方根值變差，并導致磁芯損耗和ACR損耗呈非線性增加。因此，與DL相比，CL具有明顯的效率優勢：峰值時為1%，滿載時為0.5%。相關熱性能也有所改善。
圖6.135 A負載階躍下，VIN = 12 V、VO = 0.9 V時，8相DL = 100 nH (600 kHz)和2× CL = 4× 100 nH (400 kHz)的瞬態性能。電路板相同，Co相同，條件相同。
圖7.8相DL = 100 nH（虛線）和采用統一封裝策略的2× CL = 4× 100 nH（實線）設計的測量效率比較，VIN = 12 V，VO = 0.9 V。 結論 根據統一封裝(CF)策略，用于替代分立電感的CL解決方案在設計時采用相同的占用空間和總體尺寸，可作為12 V至~1 V應用的4相構建模塊。通過利用CL的優勢，效率得到顯著提升，同時保留了瞬態性能。實驗結果證實了基于FOM的設計和優化策略。 已實現的整體性能提升說明了ADI IP在耦合電感方面的優勢。 參考文獻 1 Alexandr Ikriannikov，“耦合電感的基礎知識和優勢”，Maxim Integrated，2021年8月。 2 Alexandr Ikriannikov和Di Yao，“Addressing Core Loss in Coupled Inductors”，Electronic Design News，2016年12月。 3 Aaron M. Schultz和Charles R. Sullivan，“Voltage Converter with Coupled Inductive Windings, and Associated Methods”，美國專利6,362,986，2001年3月。 4 Jieli Li，“Coupled Inductor Design in DC-DC Converters”，碩士論文，達特茅斯學院，2002年。 5 Pit-Leong Wong、Peng Xu、Bo Yang和Fred C. Lee，“Performance Improvements of Interleaving VRMs with Coupling Inductors”，《IEEE電源電子會刊》，第16卷第4期，2001年7月。 6 Yan Dong，“Investigation of Multiphase Coupled-Inductor Buck Converters in Point-of-Load Applications”，博士論文，弗吉尼亞理工學院暨州立大學，2009年。 7 Alexandr Ikriannikov，“Coupled Inductor with Improved Leakage Inductance Control”，美國專利8,102,233，2009年8月。 8 Alexandr Ikriannikov，“Evolution and Comparison of Magnetics for the Multiphase DC-DC Applications”，IEEE應用電源電子大會的行業分會，2023年3月。 9 Alexandr Ikriannikov和Di Yao，“Converters with Multiphase Magnetics:TLVR vs. CL and the Novel Optimized Structure”，PCIM Europe 2023；電源電子、智能運動、可再生能源和能源管理的國際展覽和會議，2023年5月。 10 Alexandr Ikriannikov和B. Xiao，“Generalized FOM for Multiphase Converters with Inductors”，IEEE能源轉換大會暨博覽會(ECCE)，2023年10月。 作者簡介 Alexandr Ikriannikov是ADI公司通信和云電源團隊的研究員。他于2000年獲得加州理工學院電氣工程博士學位，在校期間跟隨Slobodan Ćuk博士學習電力電子技術。他開展了多個研究生項目，包括AC/DC應用的功率因數校正、適用于火星探測器的15 V至400 V DC/DC轉換器等。研究生畢業后，他加入Power Ten，重新設計和優化大功率AC/DC電源，然后在2001年加入Volterra Semiconductor，專注于低壓大電流應用和耦合電感器。Volterra于2013年被Maxim Integrated收購，而Maxim Integrated現在是ADI公司的一部分。目前，Alexandr是IEEE的高級會員。他擁有70多項美國專利，還有多項專利正在申請中，此外他還曾撰寫并發表了多篇電力電子技術論文。 Bruce Hu是汽車電源(APW)產品線經理。他于2018年畢業于伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校，獲電氣工程學士學位。Bruce于2019年加入Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分）。他在ADI公司擔任了近5年的產品應用工程師，負責為各產品線中的DC/DC電源產品提供支持，包括汽車USB充電器及最近的數據中心核心電源解決方案。 |
