問題

隨著電流擺率和效率要求不斷提高，ADI專利耦合電感如何增強汽車應用中多相穩(wěn)壓器的性能？

回答

為了解決汽車應用中日益提高的電流需求和快速瞬變所帶來的挑戰(zhàn)，ADI專門設計了耦合電感，并獲得了專利。理想情況下，為了獲得高效率，需要較大電感值和較小電流紋波，但為了實現(xiàn)快速瞬變，又需要較小電感值。耦合電感利用出色的耦合機制，使其在穩(wěn)態(tài)下表現(xiàn)為一個大電感，從而有效地降低電流紋波。同時，耦合電感在瞬態(tài)事件中的電感值較小，且導通較快。這有便于縮小應用尺寸，同時保持高效率，這對于支持1 V以下的負載電壓至關(guān)重要。此外，其設計有助于加快響應時間，使穩(wěn)壓器能夠在不影響性能的情況下管理劇烈的瞬態(tài)負載。通過優(yōu)化電感值，這些耦合電感有助于為ADAS和其他大電流應用中的先進半導體工藝實現(xiàn)所需的必要電壓容差、高效率和瞬態(tài)規(guī)格。

簡介

大電流、低電壓應用經(jīng)常采用多相降壓轉(zhuǎn)換器拓撲來降低電壓。這種多相降壓轉(zhuǎn)換器可以利用傳統(tǒng)的分立電感（DL，如圖1a所示），或利用耦合電感（CL，如圖1b所示）。如果是CL，繞組為磁耦合，具有消除電流紋波的優(yōu)勢^1-6。

汽車ADAS應用面臨的挑戰(zhàn)是，如何將GPU或ASIC供電軌嚴格控制在0.4 V至1 V范圍內(nèi)，尤其是在快速瞬變條件下。負載瞬態(tài)通常會導致所有相位將開關(guān)節(jié)點V_X拉高至V_IN，因此每相中的電感電流以一定的擺率（式1）逐漸上升，其中V_IN為輸入電壓，Vo為輸出電壓，L為電感值。卸載瞬態(tài)通常會導致所有相位拉低至GND，并且電感電流逐漸下降（式2）。已知低輸出電壓值V_OUT＜1 V，并假設輸入電壓典型值至少為5 V，比較式1和式2很容易看出，卸載瞬態(tài)是主要問題，這是因為使電流逐漸下降的電壓非常小。

圖1 多相降壓轉(zhuǎn)換器，采用(a)分立電感或(b)耦合電感

簡單的解決辦法是增加C_OUT中陶瓷輸出電容的數(shù)量。然而，這種方法的體積過大、成本過高，有些不切實際。在汽車行業(yè)，穩(wěn)壓器往往配置為以相對較高的頻率（F_S，通常超過2 MHz）進行開關(guān)。這與云應用或工業(yè)應用中的穩(wěn)壓器形成對比。由于特別的電磁干擾(EMI)要求，汽車環(huán)境中需要更高的開關(guān)頻率。雖然高頻有助于減小穩(wěn)壓器中的電感值，但仍然需要進一步改善。

由式3可求出帶DL的常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器各相的電流紋波，其中占空比D=V_OUT/V_IN，V_OUT為輸出電壓，V_IN為輸入電壓，L為電感值，F(xiàn)_S為開關(guān)頻率。

用漏感為L_K且互感為L_M的CL代替DL，則CL中的電流紋波可表示為式4⁶。品質(zhì)因數(shù)(FOM)表示為式5，其中N_PH為耦合相數(shù)，ρ為耦合系數(shù)（式6），j為運行指數(shù)，僅定義占空比的適用區(qū)間(式7)。CL的參數(shù)有漏感L_K和互感L_M。

對于特定的CL設計，與采用分立電感L的常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器相比，式4和式5中的FOM含義可以解釋為電流紋波消除所涉及的額外乘數(shù)。與具有任意電流紋波和瞬態(tài)性能的任何系統(tǒng)相比，業(yè)界進一步推廣和擴展了FOM的定義及其含義¹¹。建議使用歸一化瞬態(tài)擺率 (期望較高) 與歸一化電流紋波 (期望較低) 的比率 (式8)。對于一些采用分立電感的基準轉(zhuǎn)換器，瞬態(tài)擺率和電流紋波通過相關(guān)數(shù)字進行歸一化 (因此任何采用DL的系統(tǒng)仍會導致FOM=1)。SR_TR和ΔIL是所選設計或技術(shù)在穩(wěn)態(tài)下的瞬態(tài)電流擺率和電流紋波，而SR_{TR_DL}和ΔIL_DL是同樣的參數(shù)，但用于基準D_L設計。

由于瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)下分立電感的電流擺率相同，式8可以簡化為式9。這樣一來就完全避免了實際提及DL設計，但基準測試的思想仍然存在。

請注意，對CL使用廣義FOM定義（式9）將得到式5，因此新定義是向后兼容的，而且還可用于電流紋波和瞬態(tài)擺率與DL公式存在顯著差異的技術(shù)（例如TLVR9）。

CL設計和考慮因素

應用指標為V_IN = 5 V、V_OUT = 0.8 V、F_S = 2.1 MHz、N_PH = 8。開始時，選擇DL = 32 nH來支持快速瞬變，而每個電感占用4.2 mm × 4.2 mm × 4.2 mm。理想情況下，這些電感將用8相耦合電感(CL)代替。然而，h = 4 mm的低高度要求帶來了難題，因為在這種高度限制下，8相耦合電感器會變得過于細長，難以生產(chǎn)，而且還會更容易受到電路板彎曲變形的影響。因此，我們?yōu)镃L選擇了4相構(gòu)建模塊，這也使得元件的放置和布局更加靈活。我們的目標是獲得更快的瞬變，并且已知CL值的紋波將小于起始DL值的紋波。因此，我們采用了近期推出的Notch CL (NCL)結(jié)構(gòu)來盡可能減小漏感L_K^7,8,10。我們設計了NCL0804，L_K約為17 nH，OCL = L_M + L_K = 100 nH，N_PH = 4，相位間距為6.9 mm/相，高度h = 4.0 mm（最大值）（圖2）。

圖2 開發(fā)的NCL0804-4-R17（h = 4 mm（最大值））

使用FOM圖10可以有效比較不同的設計。任何DL設計都會出現(xiàn)FOM = 1，這是因為在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)下，電流擺率的比例為1:1。給定尺寸下，耦合電感的NCL結(jié)構(gòu)會使L_M/L_K比率最大化，因此通常能夠產(chǎn)生最高FOM⁹。FOM比較如圖3所示；在目標輸出電壓附近，我們開發(fā)的NCL比DL好約4.4倍。

表1 四相構(gòu)建模塊不同磁元件方案的比較

圖3 相對于輸出電壓V_OUT，開發(fā)的N_CL=4×17nH和理論NCL=8× 17nH的FOM與任何DL的FOM相比較(V_IN=5V)

相應的電流紋波比較如圖4和表1所示。對電流紋波和瞬態(tài)擺率的不同取舍，讓DL值的選擇范圍非常寬，但我們開發(fā)的NCL始終有4.4倍的優(yōu)勢。NCL的電流紋波比DL = 32 nH的紋波小2.35倍，同時NCL的瞬態(tài)擺率要快1.88倍。2.35×1.88約等于4.4，與預測的FOM = 4.4相匹配。使用DL = 100 nH也可以降低電流紋波，這使其電流紋波比NCL的電流紋波小1.33倍，但NCL的瞬態(tài)擺率會快5.88倍，因此NCL相對于任何DL的優(yōu)勢仍然是5.88/1.33，即約等于4.4倍（NCL的FOM = 4.4）。

圖4 相對于輸出電壓V_OUT，比較開發(fā)的N_CL=4×17nH和理論NCL=8×17nH的電流紋波與DL=32nH和DL=100nH的電流紋波

觀察圖3中相同NCL的理論FOM，但考慮N_PH=8是否可制造的情況，我們看到NCL相對于DL的性能優(yōu)勢將從4.4倍擴大到5.8倍，而且在V_OUT較低時，相對的優(yōu)勢差距更大。

展望未來，我們或許應該考慮NCL的不同設計。一種可能性是將相位排成兩排，以保持鐵氧體磁芯的長寬比較低，使其有利于制造。在這種情況下，NCL可以放在PCB的底部，直接位于GPU的陶瓷旁路上方，并且功率級圍繞在NCL的周邊。此方法類似于垂直供電(VPD)布置，有可能會在瞬態(tài)和紋波之間取得更好的平衡，也就是可以有效提高瞬態(tài)效率。然而，必須注意的是，這樣的改動將會顯著改變現(xiàn)有的設計和布局。未來將取決于客戶的偏好，考慮是否采用這種方法。

實驗結(jié)果

圖5 穩(wěn)壓器四相構(gòu)建模塊，電感尺寸可為(a) D_L=100 nH（h=6.4 mm（最大值））和(b) NCL0804-4（h=4.0 mm（最大值））

用NCL0804-4替代DL = 32 nH電感可以提高效率，如圖6所示。這種改善主要是因為電流紋波大幅降低（圖4），從而導致繞組、功率級和走線中的電流有效值降低。此外這還有助于降低交流損耗，如圖6所示。同時，17 nH/相的NCL（圖5b）在瞬態(tài)下的電流擺率要快約1.9倍，反饋環(huán)路中的相位裕量一般也會得到改善。降低DL = 100 nH的紋波（圖5a）可重新提高效率（圖6），但這種DL的高度明顯高于允許值（h = 4 mm），同時也比我們開發(fā)的NCL慢約5.9倍，并且會大大影響所需輸出電容的數(shù)量。正如基于FOM的估計，結(jié)果證實了NCL相對于分立電感方法的不同權(quán)衡方案具有根本的性能優(yōu)勢。

圖6 DL=32 nH (h=4.4 mm)、D_L=100 nH (h=6.4 mm)和NCL=4× 17 nH (h=4.0 mm)的效率比較：5V至0.8V，四相

結(jié)論

綜上所述，我們開發(fā)了一種采用NCL結(jié)構(gòu)的新型耦合電感，以優(yōu)化輸出電壓非常低和負載瞬態(tài)指標變化劇烈的應用性能。該CL也是為了適應汽車設計的低高度要求而開發(fā)的。選擇NCL結(jié)構(gòu)是為了盡可能地減少泄漏。與常規(guī)分立電感方案相比，它的瞬態(tài)/紋波性能提高了4倍以上。

若分立電感(DL)方案的效率要與所開發(fā)的NCL相同，高度須為后者的1.6倍(DL = 100 nH)。然而，這種替代方案的瞬態(tài)速度會低5.9倍，從而嚴重影響輸出電容的尺寸和成本。表1的比較結(jié)果凸顯了NCL0804-4在高度、效率、電流紋波和瞬態(tài)速度方面的優(yōu)勢。

參考文獻

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作者簡介

Jon Wallace擁有普渡大學計算機和電氣工程學士學位。Jon已在汽車行業(yè)工作了30年。加入ADI公司之前，Jon曾在TRW Automotive, Inc.擔任軟件和硬件工程師11年，負責開發(fā)安全電子設備的硬件和軟件。2005年，他加入Maxim（現(xiàn)為ADI公司的一部分），擔任汽車電源及相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)品定義師。他為車輛總線通信和軟件算法領域發(fā)表了25項美國專利。迄今為止，他所定義的產(chǎn)品已創(chuàng)造超過8億美元的收入。

Issac Siavashani是ADI公司汽車業(yè)務團隊的高級應用工程師。他擁有舊金山州立大學嵌入式系統(tǒng)和電氣工程碩士學位。他于2010年加入Maxim（現(xiàn)為ADI公司的一部分），專注于英特爾（消費電子）多相降壓管理IC的定義和開發(fā)工作。2017年，Issac加入汽車業(yè)務團隊。目前，他主要負責低噪聲應用的大電流多相系統(tǒng)和雷達PIMIC研發(fā)工作。

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，期間由Slobodan ?uk博士負責教授電力電子學知識。他開展了多個研究生項目，包括AC/DC應用的功率因數(shù)校正、適用于火星探測器的15 V至400 V DC/DC轉(zhuǎn)換器等。研究生畢業(yè)后，他加入Power Ten，重新設計和優(yōu)化了大功率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(xiàn)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(fā)表了多篇電力電子技術(shù)論文。