48V 配电系统在数据中心和通信应用中非常流行，许多解决方案用于将 48V 电压降至中间电压轨。简单的降压拓扑结构可以提供较高的性能，但通常功率密度较低。使用耦合电感器的多相降压拓扑可以显著提高功率密度，并且能够匹配其他解决方案的性能，同时保持较大的效率优势。

多相耦合电感器的优势

多相耦合电感器通过在绕组之间产生反向耦合，可以有效减少每相电流中的电流纹波。这种设计不仅有助于提高效率，还可以在减少体积和提高功率密度方面发挥重要作用。

在 48V 配电系统中，电压通常会被降至 12V 或更低的中间电压。然后，多个本地负载点调节器直接向不同的负载提供不同的电压。对于 48V 至 12V 的降压稳压器，常见的方案之一是采用多相降压转换器。这种解决方案能够提供稳定的输出电压（V_O）和快速的瞬态响应，同时设计简单且成本较低。在几百瓦到大于 1 kW 的功率范围内，通常采用四相并联结构。然而，由于高效率通常是优先考虑的因素，48V 转换器的开关频率通常较低，以减少开关损耗。这种低频设计可能对磁性元件造成较大压力，因为高电压施加的时间相对较长。因此，48V 转换器的磁性元件通常体积较大，并且电感器占据了设计的大部分空间。

传统电感器与耦合电感器的比较

传统的降压电路中，每相的电流纹波可以通过以下公式表示：

$$dIL = \frac{V_{IN} - V_O}{L} \times D \times F_s$$dIL=LVIN−VO×D×Fs

其中，$D$D 是占空比，$V_O$VO 为输出电压，$V_{IN}$VIN 为输入电压，$L$L 为电感值，$F_s$Fs 为开关频率。

将分立电感器替换为具有漏感（L_k）和互感（L_m）的耦合电感器后，电流纹波可以用以下公式表示：

$$dIL = \frac{V_{IN} - V_O}{L} \times D \times F_s \times \frac{1}{FOM(D, N_{ph}, \rho, k)}$$dIL=LVIN−VO×D×Fs×FOM(D,Nph,ρ,k)1

其中，$FOM$FOM 是性能优化因子，$N_{ph}$Nph 为耦合相数，$\rho$ρ 为耦合系数，$j$j 是占空比的适用区间。

通过调整耦合系数$L_m/L_k$Lm/Lk，可以实现更高的性能优化因子（FOM）。通常，具有较低泄漏的耦合电感器（如 NCL 结构）能够获得更高的耦合系数，从而带来更高的 FOM。

电流纹波与磁性元件体积的关系

通过采用耦合电感器，电流纹波可以有效减少，尤其在降低电感值的同时，仍能保持较小的电流纹波和较高的效率。与传统的分立电感器设计相比，采用耦合电感器的系统能够显著减小磁性元件的体积，提供更紧凑的设计。

例如，四个 6.8 μH 的分立电感器和 4 个 1.1 μH 的耦合电感器相比，后者的体积显著减小。具体来说，采用耦合电感器的解决方案体积减小了 4 倍，并且电感值的减小有助于尺寸的进一步优化。

性能增益与尺寸减小

在提出的 48V 至 12V 解决方案中，使用耦合电感器（4 × 1.1 μH）时，磁性元件体积减少了 4 倍，尽管如此，系统的瞬态响应仍然得到了显著提高。此外，电感器的饱和额定值也提高了 2 倍，进一步提升了系统的可靠性。

在效率方面，与传统解决方案相比，采用耦合电感器的 48V 至 12V 稳压器在全功率下实现了约 1.6 倍的损耗减少。即使在高效的设计中，额外的损耗减少仍然是一个重要的性能提升。

设计优化与尺寸权衡

尽管采用耦合电感器可以显著减少磁性元件的体积，但不同的设计方案会在效率和尺寸之间存在权衡。例如，较大的耦合电感器（如 4 × 3 μH）提供了较高的耦合系数，允许降低开关频率，从而提高效率。通过选择适当的电感值和尺寸，可以进一步优化系统的整体性能。

结论

利用耦合电感器的优势，48V 至 12V 的解决方案成功实现了磁性元件体积的显著减少，同时保持了优秀的效率和瞬态性能。与传统的分立电感器设计相比，采用耦合电感器不仅减小了体积，还大幅提升了系统的可靠性和性能。该方案可以广泛应用于数据中心和通信设备中的电源设计，特别是在需要高功率密度和高效率的场合。