概要
アプリケーションの中には、数千Aにも達する大電流を扱わなければならないものがあります。その種のアプリケーションで使われる電圧レギュレータは、極めて高速な動的応答を実現できるものでなければなりません。本稿では、そうしたニーズに応えられるものとして、トランスインダクタ電圧レギュレータ（TLVR：Trans-inductor Voltage Regulator）構造を適用したトランス・ベースの電圧レギュレータを紹介します。その電圧レギュレータ（VR）は、負荷トランジェントに対して非常に高速に応答するように設計されています。TLVR構造を利用した従来の手法の欠点を克服し、設計の面で高い柔軟性を実現しつつ、極めて高速な過渡応答を達成します。結果として、出力コンデンサの値を小さく抑えられ、ソリューションのサイズとシステムのコストを低減することが可能になります。本稿では、詳細な実験結果やケース・スタディを交え、このVRがもたらす総合的なメリットについて解説します。
はじめに
CPU、GPU、ASICなどを含め、様々なマイクロプロセッサに対する給電には、マルチフェーズ動作に対応するVR（以下、マルチフェーズVR）がよく使われています。その役割はますます重要になっていると言えるでしょう。マイクロプロセッサの分野では、新世代の製品が登場するたびに消費電力の量が急増しています。通信、仮想通貨マイニング、自動運転システムといった新たなアプリケーションでは、その傾向が特に顕著です。実際、その種のマイクロプロセッサに対しては、より高いスルー・レートで大電流を供給する必要があります。結果として、VRにおいては、出力電圧リップルの要件を満たすために負荷トランジェントに対して極めて高速な動的応答が得られるようにしなければなりません。動的応答を高速化できれば、出力コンデンサとして、値が小さく、より小型なものを使用することが可能になります。このことは、システムのサイズの観点からは非常に魅力的です。また、出力コンデンサの数も抑えられるので、システムのコストの面でもメリットが得られます。本稿で紹介するのは、TLVR構造を適用したトランス・ベースの新たなVRです。このソリューションは、極めて高速な負荷過渡応答を実現し、出力コンデンサのサイズとコストを大幅に削減できるように設計されています。また、その設計では従来のTLVR構造が抱えていた課題を容易に対処できるようになっています。
本稿では、このVRの設計と実装について詳細に解説します。それだけでなく、実際のアプリケーション事例に基づき、同VRがもたらす総合的なメリットを実証します。なお、本稿で紹介する設計／実装については現在特許を出願中です。
上記のとおり、マルチフェーズVRにおいては、負荷トランジェントに対する動的応答を高速化することが求められています。TLVR構造は、そのための効果的な実装方法です1、2、3。図1（b）に、TLVR構造の概要を示しました。図中のTLVRインダクタにより、図1（a）に示した従来のマルチフェーズVRの出力インダクタを置き換えています。TLVRインダクタは、1次巻線と2次巻線を備えた1:1のトランスだと見なすことができます。すべてのTLVRインダクタは、それぞれの2次巻線を接続することによって結合されています。TLVRインダクタの2次側の電流I LCについては、それぞれのフェーズの制御信号によって値が決まります。全TLVRインダクタを結合していることから、VRの1つのフェーズのデューティ・サイクルが変化すると、すべてのフェーズの出力電流が同時に増減します。それにより、負荷トランジェントに迅速に対応することができます。このような仕組みにより、TLVR構造では優れた負荷過渡応答が得られるのです。
トランス・ベースのVR
トランス・ベースのVRは、様々なマイクロプロセッサ向けの電源ソリューションとして高い競争力を備えています。この種のVRでは、降圧用のトランスを使用します。それにより、高い降圧比を柔軟に実現できます。それだけでなく、構造がシンプルかつコンパクトで高い効率が得られることも特徴です。トランスを使用しないマルチフェーズVRと比べると、トランス・ベースのVRは、はるかに高い入力電圧に対応できます。つまり、簡素な設計によって高い効率を達成できるという全く新たなVRの世界を展開できます。
図2に、トランス・ベースのVRの回路例を示しました。この回路（VRモジュール）は、2つの2次巻線を備える降圧用トランスと2次側の電流ダブラで構成される点を特徴とします。ここで2次巻線の数を増やせば、出力電流と電力密度を高めることができます。その場合にも、2次側に制御信号を追加する必要はありません。適切な制御回路と制御方式を用いれば、図2のVRモジュールを複数個、簡単に並列接続することができます。そうすれば、高性能のマイクロプロセッサに必要な大電流を供給することが可能になります。以下では、トランス・ベースのVRの例として、この回路を使用することにします。
トランス・ベースのVRにTLVR構造を適用する
VRにおいてTLVR構造を利用すれば、降圧トランスを使用しなくても、負荷トランジェントに対する動的応答を大幅に高速化できます。このことは既に実証済みです。但し、その優れた動的性能は多くの課題ももたらします1、2、3。降圧トランスを使用しないVRにTLVR構造を適用する場合、通常は低いデューティ・サイクルで、TLVRインダクタの1次側と2次側の両方に高電圧が印加された状態で回路全体を動作させます。TLVRインダクタでは2次側の電圧時間積（voltage-second）が高いことから、2次側に高い循環電流が生じます。そのため、定常動作時の電力損失が増加します。この問題に対応するために、図1（b）の回路では、補償用のインダクタL Cを追加しています。その目的は、TLVRインダクタの2次巻線に生じる循環電流を制限することです1。但し、LCを追加すると、システムの損失とコストが増加します。
上記のとおり、TLVR構造は1つの課題をもたらします。この課題は、トランス・ベースのVRにTLVR構造を適用することによってスムーズに解消できます。TLVR構造と降圧トランスを組み合わせれば、メインのトランスによる高い降圧比によってTLVR構造が抱える問題が大幅に軽減されます。同時に、全TLVRインダクタを結合することの効果によって、全フェーズの電流が負荷トランジェントに対して同時に応答するようになります。そのため、極めて高速な動的応答はそのまま維持されます。加えて、降圧用のトランスにより、TLVRインダクタに印加される電圧が大幅に低下するので、インダクタにおける損失が減少します。TLVRインダクタの2次側に必要な追加のインダクタの値も大幅に下げられます。実際、インダクタを追加しなくても、寄生インダクタンスによって十分に対応できる状態になります。つまり、インダクタを追加することによる損失とコストも発生しなくなるということです。更に、TLVRインダクタと追加のインダクタに関連する絶縁の問題について考慮する必要もありません。
TLVR構造を適用したトランス・ベースのVR、その2種類の実装方法
TLVR構造を適用したトランス・ベースのVR（以下、TLVRTBVR）では、回路内のすべての出力インダクタをTLVRインダクタに置き換えます。その実装方法には2種類のバリエーションがあるため、高い柔軟性が得られます。図3に示したのがTLVRTBVRの2種類の実装方法です。この例では、図2に示したVRモジュールを2つ並列に接続して使用しています。図3（a）の構成では、TLVRインダクタの2次巻線がすべて直列に接続されています。そのため、この実装方法は直列接続と呼ばれています。一方、図3（b）に示すもう1つの実装方法は直並列接続と呼ばれています。図3（b）の回路では、モジュール1においてインダクタL11と同L12の2次巻線を直列に接続しています。同様に、同L13と同L14の2次巻線も直列に接続しています。その上で、L11/L12とL13/L14を並列に接続しています。更に、このように接続された2次巻線を、それに対応するモジュール2の接続と直列に接続しています。トランス・ベースのVRモジュールを3つ以上並列に接続する場合にも、図3と同様の2種類の実装が行えます。
上記のように、TLVR-TBVRの設計／実装では高い柔軟性が得られますが、それに伴って制御がより複雑になるということはありません。図3に示した2種類の実装には同じ制御方法を適用できます。ここでは、3つのVRモジュールを並列に接続したTLVRTBVRを例にとり、その制御方法について説明することにします。その場合、異なるVRモジュールの制御信号には位相差（位相シフト）を設けます。まず、モジュール1とモジュール2の間に設ける位相シフトは60°です。また、モジュール2とモジュール3の制御信号の間にも60°の位相シフトを設けます。このように、N個のモジュールを並列接続する場合には、隣接する2つのモジュールの間に180/N°の位相シフトを設けます。
各TLVRインダクタへの印加電圧は、上記の考え方を基にして導出することができます。図4に示したTLVRインダクタの電圧／電流波形をご覧ください。ここでは、2つのモジュールを並列に接続したTLVR-TBVRを例にとっています。図3に示した2種類の実装において、制御信号としては同じものを使用します。その結果、インダクタの電圧波形は同等になります。L11とL13の電圧波形が同等であり、L12とL14の電圧波形も同等であることがわかります。これらのインダクタの電圧波形は、図3（b）の直並列接続が適切なものであることを効果的に示しています。TLVRインダクタの2次側の電流ISECには、周波数の高いリップルが現れています。その周波数は、メインの降圧トランスの1次側が備えるMOSFETのスイッチング周波数の4倍に相当します。N個（N > 2）のモジュールを並列に接続する場合、ISECの電流リップルの周波数はスイッチング周波数の2N倍になります。一方、ISECの値は低下します。つまり、位相シフトを利用した制御方法では、出力電圧のリップルを低減できるだけでなく、ISECのリップルも効果的に抑制されます。その結果、TLVRインダクタの2次側における伝導損失を低減することも可能になります。
また、TLVR-TBVRにはインダクタを追加する必要がありません。つまり、インダクタの追加によってコストと損失が増加することはなく、システムのコストと効率の面で大きなメリットが得られます。トランスの降圧比が高い（nが小さい）ことから、TLVRインダクタの電圧は、トランスを使用しないVRにTLVR構造を適用する場合と比べて大幅に低くなります。そのため、電流リップルを抑制するために、TLVRインダクタの2次側にLCを追加する必要はありません。図4を見れば、TLVRインダクタの電圧の詳細について確認することができます。この回路では、TLVRインダクタの2次側の電流ISECを制御する上で寄生インダクタンスとTLVRインダクタの漏れインダクタンスが重要な役割を果たします。一方で、負荷トランジェントに対する動的性能を更に高めるためには、寄生インダクタンスとTLVRインダクタの2次側の漏れインダクタンスを低減することが重要になります。
プロトタイピングと実験結果
続いて、TLVR-TBVRのプロトタイプを紹介します。筆者らは、直列接続のバージョンと直並列接続のバージョンの両方を設計／実装しました。図5（a）に、標準的なTLVRインダクタの3Dモデルを示しました。図5（b）に示したのが、実際に製作したプロトタイプです。どちらのバージョンも、TLVR構造を適用しない場合とサイズは同等です。つまり、TLVRインダクタを使用してTLVR構造を実現し、それを適用した直列接続のバージョンを構成しても直並列接続のバージョンを構成しても、TLVR構造を適用しない場合とサイズは大きく変わらないということです。
筆者らは、このプロトタイプを使用し、実測によって性能の確認を行いました。つまり、TLVR-TBVRでは、極めて高速な負荷過渡応答を実現できるということを実証しました。図5（b）に示したとおり、実験に使用した基板は並行して動作する2つのVRモジュールで構成されています。TLVRインダクタの2次側には追加のインダクタは実装していません。負荷トランジェントとしては、125A／マイクロ秒のスルー・レートで20Aから170Aまで電流量を変化させることにしました。図6を見れば、TLVRTBVRの負荷過渡応答がいかに優れているのかがわかります。ここでは、直並列接続のバージョンを例にとっています。公平な比較を行うために、TLVRインダクタの2次側の接続を切り離すことで、TLVR構造を適用しない状態も実現しました。負荷電流が20Aから170Aに増大すると、TLVR-TBVRでは、ピークtoピークのリップルをはるかに小さく抑えつつ、より迅速に出力電圧をレギュレートできることがわかります。
TLVR-TBVRに更なる改良を加えると、極めて高速な負荷過渡応答を達成できます。図7に示した波形と表1の比較結果をご覧ください。20Aから170Aに変化するトランジェントに対し、出力電圧リップルのピークtoピークの値はTLVR構造がもたらす極めて高速な応答により、わずか23.7mVに抑えられています。つまり、TLVR構造を採用することによって動的応答が大幅に高速化され、出力電圧リップルのピークtoピーク値が62%低減しています。また、制御帯域幅については実測結果として115kHzという高い値が得られています。このことも、TLVR構造を利用すれば極めて高速な負荷過渡応答が得られるということを示しています。
| 構造 | TLVRあり | TLVRなし |
| 出力コンデンサ | 15.2 mF | 15.2 mF |
| 電圧リップル（ピークtoピーク） | 23.7 mV | 62 mV |
| 制御帯域幅 | 115 kHz | 45 kHz |
| 位相マージン | 69° | 40.7° |
現実のアプリケーションにおける評価結果
最後に、TLVR-TBVRの長所についてより詳しく見てみることにします。具体的には、現実のアプリケーション仕様に基づくTLVR-TBVRの評価結果を紹介します。TLVR構造を適用していないトランス・ベースのVR（以下、単体TBVR）とTLVR-TBVRを実装し、それぞれによって0.825V/540Aの電源を供給するという評価を実施しました。表2に示したのが、仕様の詳細と評価結果をまとめたものです。位相とゲインに同等のマージンがあるという条件下で、TLVR-TBVRは、単体TBVRよりも61%も広い制御帯域幅を達成しています。図8に示すように、この例でも、TLVR構造によって極めて高速な過渡応答が得られるということが実証されました。出力電圧リップルのピークtoピーク値は、わずか40.92mVです。これは0.825Vの出力電圧の5%未満に相当します。
出力コンデンサの値を39%削減した場合でも、TLVR-TBVRでは、単体TBVRと比べてリップルのピークtoピーク値がはるかに小さくなります。そのため、出力コンデンサの数を27%削減し、システムのサイズを大幅に縮小することが可能です。また、TLVR構造による極めて高速な過渡応答の効果により、出力コンデンサのコストも43%削減できます。
ここまでに説明したとおり、TLVR-TBVRは極めて高速な動的応答を達成します。また、高速の負荷トランジェントに対して、出力電圧リップルを低く抑えながら、出力コンデンサの値を効果的に下げることができます。加えて、TLVR-TBVRにはインダクタを追加する必要がありません。そのため、ソリューション全体のサイズを大幅に縮小できるだけでなく、ソリューションのコスト、特に出力コンデンサのコストを大幅に削減することが可能です。2種類の実装方法を利用できるため、高い柔軟性という更なるメリットももたらされます。しかも、制御がより複雑になることはありません。
| 構造 | TLVR-TBVR | 単体TBVR（TLVR構造を非適用） |
| 出力電流 | 540 A | 540 A |
| 出力電圧 | 0.825 V | 0.825 V |
| VRモジュールの数 | 3つ（並列） | 3つ（並列） |
| スイッチング周波数 | 550 kHz | 550 kHz |
| 電圧リップル（ピークtoピーク） | 40.92 mV |
61.15 mV |
| 制御帯域幅 | 55 kHz | 34.2 kHz |
| 位相マージン／ゲイン・マージン | 78.8°/9.9 dB | 65.5°/10.4 dB |
| 出力コンデンサの総計値 | 24.88 mF | 40.92 mF |
| 出力コンデンサの数 | 74 | 101 |
| 出力コンデンサのコスト | $9.5 | $16.75 |
まとめ
多くのアプリケーションでは、マイクロプロセッサに対して高いスルー・レートで大電流を供給する必要があります。そのため、使用するVRの動的応答は高速でなければなりません。本稿では、そうしたVRを実現可能なものとしてTLVR-TBVRを紹介しました。これであれば、マイクロプロセッサの負荷トランジェントに対して極めて高速な動的応答を実現することができます。TLVR構造とトランス・ベースのVRを組み合わせれば、メインのトランスの大きな降圧比によって、TLVR構造が抱える従来の課題に簡単に対処することができます。具体的には、TLVRインダクタにおける過剰な損失を大幅に削減することができます。また、補償用のインダクタを追加する必要もないので、損失とコストの両方を削減できることになります。加えて、TLVR-TBVRは2種類の実装方法で構築できます。そのため、設計と実装の柔軟性が高まります。どちらの実装でも、同じ制御方法によって多数のVRモジュールの並列接続に対応することが可能です。プロトタイプを用いた実測結果から、どちらの実装でも、単体TBVRと比べて極めて高速な負荷過渡応答を実現できることが実証されました。具体的には、制御帯域幅が2.56倍になり、電圧リップルのピークtoピーク値が62%低減されました。現実のアプリケーション事例に基づく評価結果からも、TLVR-TBVRによってサイズとコストの面で総合的なメリットが得られることが実証されました。
参考資料
1 「Fast Multi-phase Trans-Inductor Voltage Regulator（高速応答を実現するマルチフェーズ対応のトランスインダクタ電圧レギュレータ）」Technical Disclosure Commons、2019年5月
2 Ming Xu、Yucheng Ying、Qiang Li、Fred C. Lee「Novel Coupled-Inductor Multi-phase VRs（結合インダクタを活用したマルチフェーズ対応の新たなVR）」IEEE APEC、2007年2月
3 Shreyankh Krishnamurthy、David Wiest、Yosef Zhou「Trans-Inductor Voltage Regulator (TLVR): Circuit Operation, Power Magnetic Construction, Efficiency and Cost Trade-Offs（トランスインダクタ電圧レギュレータ（TLVR）：回路の動作、電力磁気構造、効率とコストのトレードオフ）」PCIM Europe、2022年5月
