深圳市丹成电子有限公司 - TLVR学习笔记

在服务器、PC、通信等领域会用到高性能的CPU，比如Intel至强系列，AMD霄龙系列，还有龙芯3C系列等。这些CPU的核心供电无一例外都采用多相电源方案，原因之一是这些高性能CPU功耗需求较大，动辄几百W，单相供电无法满足功率转换需求，二是多相供电利用交错并联技术，可以极大的提高输出供电的性能，包括更快的瞬态响应，更小的纹波电压，以及更好的散热条件等。

而近年来CPU功率需求成倍增长，电流需求动辄几百安培甚至上千安，这就要求电源相数随之增加，导致电源模块所占面积也增加。但主板面积却无法无限制的增大，特别是CPU周边空间更加紧张，这就对多相电源的设计带来了前所未有的挑战。而TLVR技术的出现使多相供电的性能得到了跃升，缩减电源模块占板面积的同时还降低了整体BOM成本。下面我将对TLVR技术做个简单的介绍与分享，和大家共同学习进步。

（1） 技术起源

TLVR概念起初由谷歌在APEC会议中提出，全称Trans-Inductor Voltage Regulator。该技术通过增加各相电感之间的耦合来改善传统多相电源的性能，同时也避开了已有的一些耦合电感专利（通过增加额外的补偿电感）。

（2） 应用优势

采用TLVR技术的多相电源方案拥有比传统多相电源更快的瞬态响应，这一优势特别适合改善高性能CPU在大负载跳变时候带来的电压过冲。这样，我们采用更低的开关频率就可以达到与传统多相电源同样的瞬态响应性能，而较低的开关频率也能够提高电源转换效率。同时，还能够节省大量7343封装的聚合物电容，采用全MLCC设计，以期降低成本。所以综合来看，TLVR技术非常有引入的必要，特别对一些高性能CPU的多相供电方案性能有明显提升。

图1.TLVR参考线路

（3） 电路结构

上图1是某电源厂商提供的TLVR参考设计。在电路组成上，传统多相电源方案和TLVR方案区别不是很大，主要就是把输出电感由单线圈的组合功率电感替换为4Pin双线圈的耦合电感（T1-T3），其实类似一个变压器的结构，然后再在耦合路径（变压器初级线圈）额外增加一个补偿电感Lc即可（用于调整电源响应速度和稳定性）。这样的设计能够增加电源系统响应带宽（加大穿越频率），进而极大的提高电源系统的瞬态响应速度。下图2列出了两种电感的示意图，看到其最大区别就是Pin数的增加，但通过合理设计是可以做到co-Lay的（和已有传统多相方案兼容）。

图2.传统电感和TLVR示意图

（4） 等效电路和波形分析

如图3所示，为TLVR电源方案的等效电路和对应每一相通过的电流波形（稳态下）。

图3.TLVR电路等效原理图和对应的稳态电流波形

左边的等效电路中，ILm代表流过TLVR电感的大功率信号，VLc和ILc分别代表补偿电感Lc上的电压和通过的电流（AC小信号，小功率）。而中间部分则代表TLVR电感中1:1等效紧耦合的变压器线圈。右边是关键信号波形，包括PWM 、VLc、ILc以及ILm_x和IPhase_x，看到PWM信号波形与传统多相电源PWM输出没有差别，均为错相输出，补偿电感Lc的电压极性和PWM相反，电流ILc频率为n倍开关频率，均值为0，且幅度很小（相比于功率电流ILm）。TLVR电感的功率电流ILm_x等于传统多相电源每相的输出电流，而实际流过TLVR电感每一相的电流IPhase_x为ILm_x和ILc的叠加。

如图4所示，为TLVR电源方案的等效电路和对应每一相通过的电流波形（瞬态下）。

图4.TLVR电路等效原理图和对应的瞬态电流波形

右边的等效电路中， VLc和ILc分别代表补偿电感Lc上的电压和通过的电流，看到中间1:1等效变压器初级和次级线圈电流其实是反向的。左边是关键信号波形，包括PWM、VLc、ILc和IPhase_x，瞬态负载条件下，PWM信号波形与传统多相电源PWM输出调整方式基本相同，均为增加某一项PWM的占空比，但区别在于PWM占空比改变后，流过补偿电感Lc的电流会随之改变，而这一变化会同步耦合到其他几相，这就会让所有相几乎同步对瞬态电流的变化做出响应，输出总电流也很快能够到达负载需求的电流。这种方式有效改善了多相电源的瞬态响应，降低了电源输出端对大尺寸固态电容的需求。

（5） 实际测试结果对比

如图5所示，为某IC厂商提供的传统多相电源方案和TLVR方案的测试结果对比，测试条件如下：

图5.TLVR电路等效原理图和对应的瞬态电流波形

可以清楚看到，在同等配置下，采用TLVR方案的多相电源在负载电流瞬间下降时，几乎看不到明显过冲，而传统多相方案则存在约80mV过冲电压，而且过冲持续时间长达20us以上，更重要的是TLVR方案所需输出电容仅为传统方案的70%！

综上所示，采用TLVR技术的多相电源方案具有瞬态响应快，成本低，易移植（只替换输出电感），兼容性好等优势，是高性能CPU、AI芯片供电方案的首选替代方案。