本文介紹一款大電流、高效率、全整合式四開關降壓-升壓型電源模組可以滿足電源轉換應用，展示其在各種拓撲中的應用，包括降壓拓撲、升壓拓撲和適用於負輸出應用的反相降壓-升壓配置。
許多電源轉換應用都需要支援寬廣輸入或輸出電壓範圍。ADI的一款大電流、高效率、全整合式四開關降壓-升壓型電源模組可以滿足此類應用的需求。該款元件將控制器、MOSFET、功率電感和電容整合到先進的3D整合封裝中，實現精巧的設計和穩固的性能。這款μModule穩壓器支援非常寬廣的輸入和輸出電壓範圍，擁有高功率密度、優越的效率和卓越的熱性能。
四開關降壓-升壓拓撲用作降壓型穩壓器
ADI推出多款40 V降壓型μModule穩壓器。圖一為重點展示最大負載電流在 4 A以上的幾款現有穩壓器，但這些降壓型穩壓器支援的電壓和電流範圍有限。採用四開關降壓-升壓型μModule穩壓器LTM4712作為降壓轉換器，可以顯著拓展工作範圍，進而簡化客戶的系統設計。
40 VIN (>4 A)降壓型μModule穩壓器
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該款四開關降壓-升壓轉換器可以輕鬆配置為降壓轉換器，無需任何特殊調整。當VIN > VOUT時，內部控制器會讓功率FET M3保持關斷，而M4保持導通。M1和M2會調節輸出，就像標準降壓轉換器一樣運行，如圖二所示。
相較於之前的降壓穩壓器LTM4613，儘管M4引入額外的傳導損耗，但新元件仍然實現更高的能效比，如圖三所示。這一改進是MOSFET和電感技術進步的結果。
表一顯示了無強制散熱措施下的熱性能比較，突顯降壓-升壓轉換器的效率優勢。新元件提供的功率雖然比降壓調節器高得多，但工作溫度反而更低，而且尺寸相似。
用於降壓型穩壓器
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降壓模式效率和電流能力比較：(a) 5 VOUT效率，(b) 12 VOUT效率。
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工作條件 |
參數 |
LTM4712 |
LTM4613 |
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12 VIN/5 VOUT |
最大IOUT |
12 A |
8 A |
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IMAX時的效率 |
94.7% |
93% |
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IMAX時的溫度 |
58°C |
70°C |
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36 VIN/12 VOUT |
最大IOUT |
12 A |
6 A |
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IMAX時的效率 |
96.2% |
93% |
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IMAX時的溫度 |
80°C |
101°C |
四開關降壓-升壓拓撲用作升壓型穩壓器
如圖四所示，ADI一款40 V升壓型μModule穩壓器LTM4656支援最大4A電流，而新發表的四開關降壓-升壓轉換器在用於升壓調節器時，可以處理更高的負載電流。
ADI 40 V升壓型穩壓器系列
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在VIN < VOUT的應用中使用該款四開關降壓-升壓轉換器時，內部開關M1保持導通，而M2保持關斷。M3和M4會自然地調節輸出，就像典型升壓轉換器一樣，如圖五所示。
與缺乏輸出短路保護的標準升壓轉換器不同，該款四開關降壓-升壓轉換器具備固有的短路保護功能。如果輸出短接到地，M1和M2將像降壓轉換器一樣切換，限制從輸入流到輸出的電流。最大短路電流受輸入或輸出路徑中的RSENSE電阻或峰值電感限流值（以較低者為準）的限制。
此外，在初始VIN快速上升階段，常規升壓轉換器通常會有不受控制的高衝擊電流通過升壓二極體，對COUT充電。該款四開關降壓-升壓轉換器在VOUT較低時始終以降壓模式啟動，因此其輸入衝擊電流受到電感電流軟啟動的嚴格控制和限制。總之，相較於常規升壓調節器，該款四開關降壓-升壓轉換器可實現更可靠的升壓轉換器。
用於升壓調節器，具備固有的輸出短路保護功能。
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圖六和表二比較該款四開關降壓-升壓型μModule穩壓器與降壓型μModule穩壓器的效率、功率能力和熱性能。第一款元件表現出高效率、更大的電流處理能力和明顯更好的熱性能。兩款穩壓器均為16 mm × 16 mm的尺寸。
升壓模式效率和電流能力比較：(a) 24 VOUT效率，(b) 36 VOUT效率。
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工作條件 |
參數 |
LTM4712 |
LTM4656 |
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12 VIN/24 VOUT |
最大IOUT |
6 A |
4 A |
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IMAX時的效率
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96.9% |
95.7% |
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IMAX時的溫度 |
69°C |
81°C |
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12 VIN/36 VOUT |
最大IOUT |
4 A |
2.5 A |
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IMAX時的效率 |
96.1% |
94.8% |
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IMAX時的溫度 |
84°C |
89°C |
四開關降壓-升壓拓撲用於反相降壓-升壓型穩壓器以提供負輸出電壓
與標準降壓轉換器類似，該款四開關降壓-升壓轉換器也可配置為反相降壓-升壓拓撲，以用於負輸出應用。如圖七所示，M1和M2以互補方式切換；在此操作期間，M3關斷，M4導通。請注意，最大電壓VMAX = |VIN|+|VOUT|必須小於40 V，即該元件的最大額定電壓。流過電感的直流電流IL的幅度計算公式為IL = IOUT/(1-D)，其中D是包含M1和M2的相位臂的工作週期，M1是主開關。
配置為反相降壓-升壓型穩壓器
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圖八為反相配置的電路示例，該電路設計為24 V輸入和-12 V輸出，支援高達10 A的負載電流。圖九顯示從基準平台測試獲得的效率曲線。
反相配置的電路示例
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基準平台測試的-12 VOUT效率曲線
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在反相降壓-升壓轉換器中，輸出電壓在啟動期間可能會略微上升至零V以上。將該款四開關降壓-升壓型穩壓器配置為反相模式時，也觀察到同樣的行為。
圖十展示啟動期間輸出電壓反向的原理。在輸入電源接通後，但在所有四個MOSFET開始切換之前，輸入電流開始透過兩條路徑反向對輸出電容充電：其一是透過跨接在M1和M2上的CIN去耦電容，其二是透過INTVCC電容路徑。如果CIN或CINTVcc明顯大於COUT，則可能出現更高的反向輸出電壓。
然而，μModule穩壓器內部存在固有的箝位電路，如圖十一所示。VSD3和VSD4分別表示M3和M4的源漏電壓。當-VOUT> VSD3 + VSD4時，M3和M4的體二極體導通，接管充電電流。這兩個體二極體形成一個自然箝位電路。換句話說，最大反向輸出電壓為VSD3 + VSD4。
圖十二顯示啟動期間基準平台測試的反向輸出電壓波形。在圖十二a中，反向-VOUT的幅度約為+0.75 V，相較於COUT (330 μF)，電路中的CIN (50 μF)有限。將CIN增加至350 μF時，觀察到反向-VOUT升高至+1.5 V，如圖十二b所示。
CIN與COUT的比率可以調整，以使正輸出電壓最小。在達到內部箝位電壓Vsd3 + Vsd4之前，比率越小，正輸出電壓越低。此外，輸出端可以增加一個外部低正向壓降箝位蕭特基二極體，以將正電壓限制在所需水準，如圖八所示。
啟動期間的充電電流流動路徑
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四開關降壓-升壓轉換器中的自然箝位電路
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6
啟動期間的反向-VOUT波形：(a)與COUT (330 μF)相比，CIN (50 μF)相對較小；(b)與COUT (330 μF)相比，CIN (350 μF)相對較大。
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結語
該款四開關降壓-升壓型穩壓器可以直接用於降壓或升壓型穩壓器，無需任何特殊配置。基準測試並已驗證，相較於現有其他降壓或升壓型μModule穩壓器，新款降壓-升壓型μModule擁有更高的效率、更好的熱性能和更強的電流處理能力。
此外，該款四開關降壓-升壓轉換器可以輕鬆配置為反相降壓-升壓型穩壓器，以滿足負輸出應用的需要。該款元件的效率也非常高，在基準測試中也已經得到了證實。
此外，該款元件受到LTpowerCAD設計工具和LTspice模擬工具的支援。相關資源提供寶貴的見解和技術規範，對於使用者在不同應用中優化性能非常重要。
（本文作者為ADI資深經理 Ling Jiang、資深工程師 Wesley Ballar、產品應用工程師 Anjan Panigrahy 以及 ADI院士 Henry Zhang）
