デュアルコイルパワーインダクタを使用して多相デバイスの限界を克服するTLVR

世界は、人工知能、ビッグデータ、IoTアプリケーションを処理できる高性能システム用の半導体プロセッサで繁栄しています。プロセッサトランジスタの小型化が進み、電源電圧が低下しているため、製品設計者は電源回路構成の課題を抱えていますが、トランスインダクタ電圧レギュレータ（TLVR）を使用すれば解決できます。

半導体メーカーには、CPUプロセッサ、GPUプロセッサ、FPGAプロセッサにさらなる進歩をもたらしてきた素晴らしい実績があります。電源電圧が低下する一方で、消費電流と全体的な電力使用量は増加していますが、低電圧電源の電圧変動に対する許容差は極めて小さくなっています。電子部品メーカーのTDKによると、コア電圧を±3%の精度で供給する必要がある場合、1Vの電圧では±30mV以内の厳密な制御が求められます。

多相デューティ調整機能を備えた多相電圧レギュレータは、突発的な大電流負荷に対応できますが、応答時間を短縮して相を切り替えるために高周波で動作する必要があります。データセンターのニーズが既存の多相電圧レギュレータ構成の限界を超えたため、サーバ電源の設計者は、より高い周波数で動作可能な回路を作成するという課題に直面しました。

2019年に初めて説明された多相TLVR回路構成は、低電圧・大電流アプリケーションの高速負荷変動に対応するために急速に採用されました。TLVRは、電力損失を最小限に抑えながら、高い応答性能を提供します。また、出力コンデンサの値を小さくすることで、システムのコストとフットプリントを削減します。

複数のインダクタに同時に電流を供給

TLVR回路では、2次巻線が追加されたインダクタに各相スイッチが接続され、それぞれが補償インダクタと直列ループで接続されます。電流需要の急増に対応するため、この回路は電源電圧を大幅に下げることなく、すべてのインダクタから同時に電流を供給することができます。

TDKのデュアルコイルパワーインダクタVLBUCシリーズは、電圧レギュレータの負荷応答を改善するためにTLVRと組み合わせて使用するように設計されており、VR14サーバ世代の電圧レギュレータ仕様に準拠し、可変電流の要件下で確実に動作します。

同社のVLBUC12060120R15LF3（図1）は、大電流に対応するデュアル巻線フェライトコイルパワーインダクタのシリーズの1つです。専用の電極構造、独自の磁性材料、高い飽和磁束密度、高周波スイッチングへの最適化により、低損失を実現しています。このインダクタは、2つのコイル間に100VDCの耐電圧を保証します。

図1：TDKのTLVR用デュアルコイルパワーインダクタVLBUC12060120R10LF3の外観。正確な仕様は、製品のデータシートを参照してください。（画像提供：TDK）

VLBUC12060120シリーズのサイズは12mm × 6mm、高さ12mmで、1次コイルのインダクタンス範囲が70nH～200nH、飽和電流が58A～155Aのバージョンで入手可能です。動作温度範囲は-40°C～+125°Cです。

TDKは回路シミュレータを使用し、8相の多相VRとTLVRの急激な負荷変化時の出力電圧の変化を比較しました。12Vから1.8Vへの変換にスイッチング周波数800kHzを仮定し、240A → 360A → 240Aの負荷変化に対して出力平滑コンデンサ値1,850μFを使用した場合、多相VRの負荷電圧変動は1.8Vに対して±0.3Vでした。これに対し、TLVRの出力変動は±0.1V未満で、電圧安定化に要する時間が大幅に短縮されました。さらに、出力平滑コンデンサの値を約230μF、つまり元の値の約8分の1に減らすことも可能です。

まとめ

効率的なサーバ電源管理に対するデータセンターやクラウドサービスの要件は、従来の多相電圧レギュレータの負荷応答能力を超えています。製品設計者は、TDKのデュアルコイルパワーインダクタVLBUCシリーズをTLVR回路に使用することで、高密度化が進むプロセッサの高周波数化という課題を克服できます。これにより、サーバ電源管理では今日の強力なデータ駆動アプリケーションを処理するための信頼性を実現することができます。