Cet article présente les régulateurs de tension basés sur des transformateurs avec une structure de régulateur de tension trans-inducteur conçue pour répondre extrêmement rapidement aux transitoires de charge des microprocesseurs.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les régulateurs de tension (VRs) présentant une réponse dynamique extrêmement rapide sont souhaitables pour les applications nécessitant des courants allant jusqu’à des milliers d’ampères. Les VRs basés sur un transformateur avec une structure de VR TLVR surmontent les inconvénients de la structure TLVR traditionnelle. Ils offrent une grande flexibilité de conception et une réponse transitoire extrêmement rapide, ce qui se traduit par une plus petite capacité de sortie et une taille de solution réduite, ainsi qu’un coût système moindre.
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Les VRs multiphases deviennent de plus en plus importants car ils alimentent une large gamme de microprocesseurs tels que les CPU, les GPU et les ASIC. Ces dernières années, la demande de puissance pour ces microprocesseurs a considérablement augmenté, notamment dans les domaines des télécommunications et de certaines applications émergentes, telles que le minage de crypto-monnaie et les systèmes de conduite autonome. Les microprocesseurs nécessitent ainsi un courant plus élevé avec une vitesse de montée plus élevée. Par conséquent, il est nécessaire que les VRs aient une réponse dynamique plus rapide lors de transitoires de charge pour répondre aux exigences de l’ondulation de tension de sortie. Du point de vue de la taille du système, une réponse dynamique extrêmement rapide est très attrayante car elle permet de réduire la capacité de sortie requise et de réduire la taille des condensateurs de sortie.
De plus, une plus petite capacité de sortie et moins de condensateurs de sortie sont bénéfiques pour le coût du système. Cet article présentera une solution de VR basée sur un transformateur avec une structure TLVR conçue pour obtenir une réponse transitoire de charge extrêmement rapide et réduire considérablement la taille et le coût des condensateurs de sortie. Lors de l’introduction de structures TLVR dans les solutions de VR basées sur des transformateurs, les défis traditionnels des structures TLVR peuvent être facilement relevés.
Structure TLVR
La structure TLVR est une mise en œuvre efficace qui accélère la réponse dynamique lors des transitoires de charge des VRs multiphases.
Comme le montre la Figure 1, la structure TLVR utilise des inducteurs TLVR pour remplacer les inducteurs de sortie des VRs multiphases traditionnels. Un inducteur TLVR peut être considéré comme un transformateur 1:1 avec un enroulement primaire et secondaire. Tous les inducteurs TLVR sont couplés en connectant les enroulements secondaires de tous les inducteurs TLVR. Le courant dans le côté secondaire des inducteurs TLVR, ILC, est déterminé par les signaux de commande de toutes les phases différentes. En raison de l’effet de couplage, le courant de sortie de toutes les phases peut augmenter ou diminuer en même temps une fois que le rapport cyclique d’une phase du VR change pour répondre au transitoire de charge. C’est pourquoi la structure TLVR peut obtenir une excellente performance transitoire de charge.
Figure 1. (a) Schéma de circuit d’un VR multiphase traditionnel sans structure TLVR et (b) schéma de circuit d’un VR multiphase avec structure TLVR. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
VRs basés sur des transformateurs
Les VRs basés sur des transformateurs sont des solutions d’alimentation compétitives pour divers microprocesseurs. Équipés d’un transformateur abaisseur de tension, les VRs basés sur des transformateurs présentent un rapport d’abaissement élevé et flexible, une structure simple et compacte, ainsi qu’une grande efficacité. Contrairement aux VRs multiphases sans transformateur, les VRs basés sur des transformateurs permettent une tension d’entrée beaucoup plus élevée et ouvrent un tout nouveau monde pour simplifier la conception des VRs et atteindre une efficacité supérieure.
La Figure 2 montre le schéma de circuit d’un exemple représentatif de VR basé sur des transformateurs. Le circuit VR comprend un transformateur abaisseur de tension avec deux enroulements secondaires et une structure de doubleur de courant côté secondaire. Plusieurs enroulements secondaires peuvent être conçus pour obtenir un courant de sortie plus élevé et une densité de puissance plus élevée, et aucun signal de commande supplémentaire n’est nécessaire côté secondaire. Avec des circuits de commande et des stratégies appropriés, plusieurs circuits VR exemples dans la Figure 2 peuvent être connectés en parallèle pour fournir le courant requis pour une large gamme de microprocesseurs haute performance. Par conséquent, le circuit VR présenté dans la Figure 2 est un exemple tout au long de cet article.
Figure 2. Schéma de circuit d’un exemple de VR basé sur un transformateur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Avantages de la structure TLVR dans les VRs basés sur des transformateurs
La structure TLVR peut accélérer considérablement la réponse dynamique des VRs sans transformateur pendant les transitoires de charge. Cependant, une telle performance dynamique supérieure est accompagnée de nombreux défis. Sans transformateur, ces VRs sans transformateur fonctionnent généralement avec un faible rapport cyclique et une haute tension appliquée dans les côtés primaire et secondaire des inducteurs TLVR. La haute tension-seconde du côté secondaire des inducteurs TLVR provoque un courant circulant élevé dans le côté secondaire des inducteurs TLVR et une perte de puissance supplémentaire pendant le fonctionnement en régime permanent. Comme le montre la Figure 1b, un inducteur supplémentaire Lc doit être ajouté pour limiter le courant circulant dans les enroulements secondaires des inducteurs TLVR.1 L’inducteur supplémentaire augmente en outre les pertes et les coûts du système.
Les défis posés par la structure TLVR peuvent être facilement résolus lors de l’introduction de la structure TLVR dans les VRs basés sur des transformateurs. En combinant la structure TLVR avec le transformateur abaisseur de tension, les inconvénients de la structure TLVR deviennent beaucoup moins significatifs en raison du rapport d’abaissement élevé du transformateur principal. Dans le même temps, la réponse dynamique extrêmement rapide peut toujours être obtenue, car l’effet de couplage pousse le courant de toutes les phases à réagir simultanément lors des transitoires de charge. Grâce au transformateur abaisseur de tension, la tension appliquée aux inducteurs TLVR diminue, ce qui entraîne une perte d’inductance plus faible. L’inductance de l’inducteur supplémentaire requis du côté secondaire des inducteurs TLVR peut être beaucoup plus faible. En fait, en exploitant l’inductance parasite, l’inducteur supplémentaire peut être éliminé, ainsi que les pertes et les coûts supplémentaires apportés par l’inducteur. De plus, le problème d’isolation associé aux inducteurs TLVR et à l’inducteur supplémentaire n’est plus une préoccupation.
VRs basés sur des transformateurs avec structure TLVR flexible
Dans les VRs basés sur des transformateurs avec structure TLVR, tous les inducteurs de sortie dans le circuit sont remplacés par des inducteurs TLVR. De plus, deux types de mises en œuvre peuvent être réalisés lors de l’application de la structure TLVR dans les VRs basés sur des transformateurs, ce qui offre une grande flexibilité lors de la mise en œuvre de cette structure. La Figure 3 montre les schémas de circuit des deux types de mises en œuvre en utilisant l’exemple de deux modules VR présentés dans la Figure 2 connectés en parallèle. La mise en œuvre de la Figure 3a est appelée connexion en série car tous les enroulements secondaires des inducteurs TLVR sont connectés en série. L’autre mise en œuvre présentée dans la Figure 3b est appelée une connexion en série et en parallèle. Dans le Module 1, les enroulements secondaires de L11 et L12 sont connectés en série avant d’être connectés en parallèle avec la connexion en série des enroulements secondaires de L13 et L14. Cette connexion des enroulements secondaires des inducteurs TLVR dans le Module 1 est finalement connectée en série avec la connexion correspondante dans le Module 2, comme le montre la Figure 3b. De même, deux mises en œuvre avec des structures TLVR dans la Figure 3 peuvent être réalisées lorsque plusieurs modules VR basés sur des transformateurs sont connectés en parallèle.
Une plus grande flexibilité de conception et de mise en œuvre n’augmente pas la complexité de la commande. Le même schéma de commande est appliqué pour les deux mises en œuvre du VR basé sur un transformateur avec structure TLVR. Ici, le schéma de commande pour le VR basé sur un transformateur avec trois modules en parallèle est présenté en exemple. Un décalage de phase est inséré entre les signaux de commande des différents modules VR. Le décalage de phase inséré entre le Module 1 et le Module 2 est de 60°, et un décalage de phase de 60° est inséré entre les signaux de commande du Module 2 et du Module 3. Si N modules sont en parallèle, le décalage de phase inséré entre deux modules adjacents est de 180°/N.
La tension appliquée à tous les inducteurs TLVR peut être déduite sur la base du schéma de commande proposé. La Figure 4 résume les formes d’onde de tension de tous les inducteurs TLVR dans le VR basé sur un transformateur avec deux modules connectés en parallèle. Étant donné que les deux types de mises en œuvre de la Figure 3 ont le même signal de commande, les formes d’onde des inducteurs sont également les mêmes. Il peut également être observé que L11 et L13 ont la même forme d’onde de tension, ce qui est également le cas pour L12 et L14. Ces formes d’onde de tension des inducteurs expliquent efficacement pourquoi la connexion en série et en parallèle de la Figure 3b est légitime. Le courant du côté secondaire des inducteurs TLVR, Isec, présente une ondulation haute fréquence à la fréquence de commutation 4× des MOSFETs du côté primaire du transformateur abaisseur de tension principal. Avec N (N > 2) modules connectés en parallèle, l’ondulation du courant de Isec sera à une fréquence plus élevée (2N fois la fréquence de commutation), et l’amplitude de Isec peut être encore réduite. Par conséquent, le schéma de commande proposé avec décalage de phase permet non seulement de réduire l’ondulation de tension de sortie, mais permet également de supprimer efficacement l’ondulation de Isec ; ainsi, la perte de conduction du côté secondaire des inducteurs TLVR.
Figure 3. Deux mises en œuvre de deux modules VR parallèles basés sur un transformateur avec structure TLVR : (a) une connexion en série et (b) une connexion en série et en parallèle. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Aucun inducteur supplémentaire n’est requis dans le VR basé sur un transformateur avec structure TLVR. Le coût et les pertes supplémentaires apportés par l’inducteur supplémentaire sont également éliminés, ce qui bénéficie considérablement à l’efficacité et au coût du système. En raison du rapport d’abaissement élevé du transformateur (petit n), la tension des inducteurs TLVR est considérablement réduite par rapport au VR sans transformateur avec structure TLVR. Il est donc inutile d’introduire un inducteur de compensation supplémentaire Lc du côté secondaire de l’inducteur TLVR pour supprimer l’ondulation du courant. Des informations détaillées sur la tension de l’inducteur TLVR peuvent être vues dans la Figure 4. Dans ce cas, l’inductance parasite dans le circuit et l’inductance de fuite des inducteurs TLVR jouent un rôle critique dans la formation du courant du côté secondaire des inducteurs TLVR, Isec. Pour améliorer davantage les performances dynamiques lors des transitoires de charge, il est important de réduire l’inductance de fuite et l’inductance parasite du côté secondaire des inducteurs TLVR.
Figure 4. Formes d’onde de tension et de courant secondaire des inducteurs TLVR dans les modules VR basés sur un transformateur avec structure TLVR (deux modules en parallèle). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Prototypes et résultats expérimentaux
Les deux mises en œuvre du module VR basé sur un transformateur avec structure TLVR ont été conçues et réalisées, y compris les versions de connexion en série et de connexion en série et en parallèle. La Figure 5a présente le modèle 3D d’un inducteur TLVR typique. Le prototype du module construit est visible dans la Figure 5b. Les deux versions ont la même taille que leur homologue sans structure TLVR. En d’autres termes, l’adoption des inducteurs TLVR pour réaliser la structure TLVR n’augmente pas la taille du module VR, que ce soit une connexion en série ou une connexion en série et en parallèle.
La performance transitoire de charge extrêmement rapide du VR basé sur un transformateur avec structure TLVR a été démontrée avec succès avec les prototypes construits. L’installation expérimentale comprend deux modules VR fonctionnant en parallèle, comme le montre la Figure 5b. Aucun inducteur supplémentaire n’est installé du côté secondaire des inducteurs TLVR. Le transitoire de charge est compris entre 20 A et 170 A avec une vitesse de montée de 125 A/µs. L’excellente réponse transitoire de charge du VR basé sur un transformateur avec structure TLVR est clairement illustrée dans la comparaison de référence présentée dans la Figure 6, dans laquelle la version de connexion en série et en parallèle est utilisée comme exemple. Pour faire une comparaison équitable, le cas sans structure TLVR est réalisé en déconnectant la connexion du côté secondaire des inducteurs TLVR. Lorsque le courant de charge passe de 20 A à 170 A, le VR basé sur un transformateur avec structure TLVR peut rapidement réguler la tension de sortie avec une ondulation de tension crête-à-crête beaucoup plus faible.
Après des améliorations supplémentaires, une réponse transitoire de charge extrêmement rapide est obtenue dans le VR basé sur un transformateur avec structure TLVR. Des détails sur les formes d’onde transitoires peuvent être vus dans la Figure 7. Sous le même transitoire de 20 A à 170 A, l’ondulation de tension crête-à-crête de sortie n’est que de 23,7 mV, grâce à la réponse extrêmement rapide apportée par la structure TLVR. L’adoption de la structure TLVR accélère considérablement la réponse dynamique, réduisant l’ondulation de tension crête-à-crête de sortie de 62 %. La largeur de bande de commande élevée mesurée de 115 kHz démontre également la réponse transitoire de charge extrêmement rapide rendue possible par la structure TLVR. Une comparaison détaillée est résumée dans le Tableau 1.
Figure 5. (a) Modèle 3D d’un inducteur TLVR et (b) deux prototypes de VR basés sur un transformateur avec des structures TLVR en parallèle sur une carte de démonstration. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Tableau 1. Comparaison de la réponse dynamique entre un VR basé sur un transformateur avec structure TLVR et sans structure TLVR.
| Structure | Avec structure TLVR | Sans structure TLVR |
| Capacité de sortie | 15,2 mF | 15,2 mF |
| Ondulation de tension (crête-à-crête) | 23,7 mV | 62 mV |
| Bande passante de commande | 115 kHz | 45 kHz |
| Marge de phase | 69° | 40,7° |
Figure 6. Comparaison de la réponse transitoire de charge d’un VR basé sur un transformateur avec structure TLVR et sans structure TLVR. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Figure 7. Réponse transitoire de charge extrêmement rapide d’un VR basé sur un transformateur avec structure TLVR. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Étude de cas du régulateur de tension basé sur un transformateur
Pour illustrer davantage les avantages de la combinaison de VRs basés sur des transformateurs avec la structure TLVR, cette section présente une étude de cas d’un VR basé sur un transformateur basé sur les spécifications d’applications pratiques. Des solutions de VR basées sur des transformateurs avec et sans structure TLVR sont mises en œuvre et testées pour fournir un rail de 0,825 V/540 A. Les détails des spécifications et des résultats des tests sont résumés dans le Tableau 2. Avec une marge de phase et une marge de gain comparables, la solution de VR basée sur un transformateur avec structure TLVR atteint une bande passante de commande supérieure de 61 % par rapport à la solution de VR sans structure TLVR. Ainsi, la réponse transitoire extrêmement rapide rendue possible par la structure TLVR est à nouveau démontrée, comme le montre la Figure 8. L’ondulation de tension crête-à-crête est seulement de 40,92 mV, inférieure à 5 % de la tension de sortie de 0,825 V.
Avec une économie de 39% de la capacité de sortie, la solution de VR avec structure TLVR réalise toujours une ondulation de tension crête-à-crête bien inférieure à celle de la solution de VR sans structure TLVR. Ainsi, le nombre de condensateurs de sortie est réduit de 27%, ce qui entraîne une énorme réduction de la taille de la solution du système. Grâce à la réponse transitoire rapide permise par la structure TLVR, le coût des condensateurs de sortie peut être réduit de 43%.
En général, les VRs basés sur des transformateurs avec structure TLVR offrant une réponse dynamique extrêmement rapide peuvent réduire efficacement la capacité de sortie tout en maintenant une faible ondulation de tension de sortie lors de transitoires de charge rapides. De plus, aucun inducteur supplémentaire n’est requis dans les VRs basés sur des transformateurs avec structure TLVR. Par conséquent, les solutions de VR basées sur des transformateurs avec structure TLVR permettent de réduire considérablement la taille totale de la solution et entraînent une réduction substantielle du coût de la solution, en particulier le coût des condensateurs de sortie. Deux mises en œuvre disponibles offrent également l’avantage d’une grande flexibilité ; en même temps, la complexité de commande n’est pas augmentée.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF] et est co-écrit par Xingxuan Huang, Xinyu Liang et Chuan Shi d’Analog Devices.