随着 CPU、GPU 等芯片性能的提高，其对电源的供电要求不断提高，在 Intel VRD 11.0 规范中，CPU 供电电流跳变斜率几乎达到了 2000A/us。如果设计的电源动态性能不符合要求，将直接影响处理器的性能，甚至可能导致电源输出的振荡，使电源和处理器无法正常工作。因此，对于xPU供电电源，动态响应性能是研究的关键之一，其中暂态电压尖峰（过冲和下跌）和调整时间是电源动态性能的重要指标。

图1为DC/DC电源变换器在负载瞬态条件下的简单框图。I_SUM为变换器中各相电感电流之和。I_LOAD表示实际消耗的负载电流。每当I_LOAD发生变化时，变换器会改变各相开关的有效占空比，使I_SUM上升或下降，从而跟踪新的I_LOAD值。

电源的滤波电感会限制I_SUM爬升到新I_LOAD值的速度。在I_SUM上升或下降期间，滤波电容电流为I_LOAD和I_SUM的差值，这个差值对时间的积分为电荷量ΔQ。在此期间，变换器的输出电压会出现下冲或过冲，而限制电压偏差（ΔV）的方法要么是提高I_SUM的爬升速率（例如通过减小滤波电感），要么是增大滤波器的总输出电容（C_OUT）。

图2给出了传统多相BUCK变换器中典型的I_SUM和输出电压波形。

公式（1）为输出电压偏差ΔV、输出电容C_OUT，以及电流上升或下降的速率（Slope）之间的关系：

对于传统的多相BUCK变换器，电流上升下降斜率直接与每相电路的输出滤波电感相关。减小电感量能够改善变换器的瞬态响应。但单纯减小每相电路的输出电感量会影响变换器的损耗及其稳态纹波，电感值减小会导致电感电流纹波增大，进而使输出电压纹波变大，而输出电压纹波通常也有严格的要求。同时，这还会增加每相电路的电感电流有效值，从而降低变换器的整体效率。

在传统多相BUCK变换器中，电感值在稳态和瞬态期间都是恒定的。电感值的选择需要在瞬态响应、损耗以及电压纹波和电流纹波之间进行折衷，不能取得太小；因此电流变化斜率就受到电感的限制，为了满足指标要求，就需要大容量的输出电容C_OUT来限制ΔV。

TLVR（Trans-Inductor Voltage Regulator）拓扑可实现在不同条件下具有不同的有效滤波电感。在稳态运行期间，较高的有效滤波电感值可限制变换器的电感电流纹波、输出电压纹波和损耗；而在瞬态条件下，较低的有效电感值则能显著减小为满足给定动态性能指标所需的输出电容（C_OUT）。图3为TLVR变换器的典型负载瞬态响应，在变换器瞬态响应期间其I_SUM斜率明显更高。因此负载瞬态变化时，电容电荷变化量较小，输出电压的过冲和下跌更小。

TLVR拓扑结构源自多相同步整流BUCK变换器拓扑，但其将每一相的单绕组电感替换为两绕组耦合电感。与多相BUCK变换器类似，每个耦合电感器的初级侧连接在各相开关节点与变换器输出滤波电容之间。次级绕组串联成一个回路，并额外串联一个补偿电感（L_C）。

图4为典型的TLVR变换器原理图，图中标出了关键节点、电压和电流。

图5为四相TLVR变换器在稳态下的工作波形。图中相邻相的脉冲在时间上不重叠。但注意TLVR拓扑没有最大占空比限制，这里的分析也适用于占空比较高、脉冲在时间上重叠的应用场景。  图中给出了次级侧回路L_C的电压和电流波形、每相的开关节点电压波形，以及第4相的初级侧电流（I_PRI4）。图中还标注了三种不同的电路工作模式。

理解TLVR工作原理的关键是分析L_C回路及其对I_PRI和I_SUM的影响。每一相耦合电感的初级电压与BUCK变换器类似。式（2）适用于导通相，式（3）用于关断相。磁化电感始终遵循公式（4）所示的电感特性方程：

这里为简单起见，假定耦合电感的匝比为1：1。由法拉第电磁感应定律和KVL可得，L_C两端的电压始终等于所有相耦合电感的初级电压之和，如式（5）所示。L_C本身始终遵循电感特性方程，如式（6）所示：

根据耦合电感的工作原理，每一相的初级电流I_PRI由两部分组成，一部分是磁化电感的磁化电流；另一部分是和次级电流做磁势平衡的电流，注意耦合电感匝比为1：1，这部分电流和次级电流相等。因此I_PRI可表示为磁化电流与I_LC之和，如式（7）所示。I_SUM是所有相初级电流之和，如式（8）所示：

根据上述稳态运行部分所述的关系，可以清楚地看出为什么TLVR能够比BUCK变换器更快地使其I_SUM上升，以及为什么其瞬态响应更优越。BUCK变换器的I_SUM仅仅是其各相电感电流之和，如式（9）所示。而对于TLVR设计，除了各磁化电流（I_LM）之外，I_LC还会叠加到每一相的初级电流（即每相的输出电流），如式（10）所示：

电路中的所有电感都遵循电感特性方程。在应对负载阶跃上升的瞬态响应期间，变换器会同时导通N_ON相。但由于各种原因，可能无法同时开通所有相位，因此还需考虑在任何时刻有N_OFF相保持关断。式（11）和式（12）给出了多相BUCK变换器I_SUM的上升斜率。这些方程并未考虑控制器的响应时间，而仅是变换器拓扑本身所带来的限制。

式（13）和式（14）给出了TLVR拓扑中I_SUM的上升斜率，其中假设TLVR的磁化电感L_M等于多相BUCK变换器的滤波电感L，以便进行比较：

可以看到，式（14）后面一项清楚表明I_LC使TLVR拓扑能够比传统多相BUCK变换器有更大的电流上升率。

同理，TLVR拓扑也具有更大的电流下降率。这里不再赘述。

因而，据式（1），TLVR拓扑具有更好的动态性能，能更快响应负载的瞬态变化，更适合大算力需要的处理器供电。

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