配置四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器來適應(yīng)不同應(yīng)用：升壓、降壓或反相輸出

作者：

Ling Jiang，高級經(jīng)理

Wesley Ballar，高級工程師

Anjan Panigrahy，產(chǎn)品應(yīng)用工程師

Henry Zhang，ADI公司院士

摘要

許多電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用都需要支持寬輸入或輸出電壓范圍。ADI公司的一款大電流、高效率、全集成式四開關(guān)降壓-升壓型電源模塊可以滿足此類應(yīng)用的需求。該款器件將控制器、MOSFET、功率電感和電容集成到先進(jìn)的3D集成封裝中，實現(xiàn)了緊湊的設(shè)計和穩(wěn)健的性能。這款μModule?穩(wěn)壓器支持非常寬的輸入和輸出電壓范圍，擁有高功率密度、優(yōu)越的效率和出色的熱性能。本文重點介紹了該款器件的多功能性，展示了它在各種拓?fù)渲械膽?yīng)用，包括降壓拓?fù)?、升壓拓?fù)浜瓦m用于負(fù)輸出應(yīng)用的反相降壓-升壓配置。

四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)溆米鹘祲盒头€(wěn)壓器

ADI公司推出了多款40 V降壓型μModule穩(wěn)壓器。圖1重點展示了最大負(fù)載電流在 4 A以上的幾款現(xiàn)有穩(wěn)壓器，但這些降壓型穩(wěn)壓器支持的電壓和電流范圍有限。采用新推出的四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器LTM4712作為降壓轉(zhuǎn)換器，可以顯著拓展工作范圍，從而簡化客戶的系統(tǒng)設(shè)計。

圖1.40 VIN (>4 A)降壓型μModule穩(wěn)壓器。

該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以輕松配置為降壓轉(zhuǎn)換器，無需任何特殊調(diào)整。當(dāng)VIN > VOUT時，內(nèi)部控制器會讓功率FET M3保持關(guān)斷，而M4保持導(dǎo)通。M1和M2會調(diào)節(jié)輸出，就像標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器一樣運(yùn)行，如圖2所示。與之前的降壓穩(wěn)壓器LTM4613相比，盡管M4引入了額外的傳導(dǎo)損耗，但新器件仍然實現(xiàn)了更高的能效比，如圖3所示。這一改進(jìn)是MOSFET和電感技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。

表1顯示了無強(qiáng)制散熱措施下的熱性能比較，凸顯了降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)勢。新器件提供的功率雖然比降壓調(diào)節(jié)器高得多，但工作溫度反而更低，而且尺寸相似

圖2.用作降壓型穩(wěn)壓器。

圖3.降壓模式效率和電流能力比較：(a) 5 VOUT效率，(b) 12 VOUT效率。

表1.降壓模式熱性能比較，TA = 25°C，無強(qiáng)制散熱措施

四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)溆米魃龎盒头€(wěn)壓器

如圖4所示，ADI公司之前已經(jīng)發(fā)布了一款40 V升壓型μModule穩(wěn)壓器。LTM4656支持最大4A電流，而新發(fā)布的四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器在用作升壓調(diào)節(jié)器時，可以處理更高的負(fù)載電流。

圖4.ADI 40 V升壓型穩(wěn)壓器系列。

在VIN < VOUT的應(yīng)用中使用該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時，內(nèi)部開關(guān)M1保持導(dǎo)通，而M2保持關(guān)斷。M3和M4會自然地調(diào)節(jié)輸出，就像典型升壓轉(zhuǎn)換器一樣，如圖5所示。與缺乏輸出短路保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器不同，該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器具備固有的短路保護(hù)功能。如果輸出短接到地，M1和M2將像降壓轉(zhuǎn)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(zhǔn)）的限制。此外，在初始VIN快速上升階段，常規(guī)升壓轉(zhuǎn)換器通常會有不受控制的高沖擊電流通過升壓二極管，對COUT充電。該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器在VOUT較低時始終以降壓模式啟動，因此其輸入沖擊電流受到電感電流軟啟動的嚴(yán)格控制和限制。總之，相比常規(guī)升壓調(diào)節(jié)器，該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)更可靠的升壓轉(zhuǎn)換器。

圖5.用作升壓調(diào)節(jié)器，具備固有的輸出短路保護(hù)功能。

圖6和表2比較了該款四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器與降壓型μModule穩(wěn)壓器的效率、功率能力和熱性能。第一款器件表現(xiàn)出優(yōu)越的效率、更大的電流處理能力和明顯更好的熱性能。兩款穩(wěn)壓器尺寸相同，均為16 mm × 16 mm。

圖6.升壓模式效率和電流能力比較：(a) 24 VOUT效率，(b) 36 VOUT效率。

表2.升壓模式熱性能比較，TA = 25°C，無強(qiáng)制散熱措施

四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)溆米鞣聪嘟祲?升壓型穩(wěn)壓器以提供負(fù)輸出電壓

與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器類似，該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器也可配置為反相降壓-升壓拓?fù)?，以用于?fù)輸出應(yīng)用。如圖7所示，M1和M2以互補(bǔ)方式切換；在此操作期間，M3關(guān)斷，M4導(dǎo)通。請注意，最大電壓VMAX = |VIN|+|VOUT|必須小于40 V，即該器件的最大額定電壓。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的相位臂的占空比，M1是主開關(guān)。

圖7.配置為反相降壓-升壓型穩(wěn)壓器。

圖8為反相配置的電路示例，該電路設(shè)計為24 V輸入和-12 V輸出，支持高達(dá)10 A的負(fù)載電流。圖9顯示了從基準(zhǔn)平臺測試獲得的效率曲線。

圖8.反相配置的電路示例。

圖9.基準(zhǔn)平臺測試的-12 VOUT效率曲線。

在反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓在啟動期間可能會略微上升至零伏以上。將該款四開關(guān)降壓-升壓型穩(wěn)壓器配置為反相模式時，也觀察到同樣的行為。

圖10展示了啟動期間輸出電壓反向的原理。在輸入電源接通后，但在所有四個MOSFET開始切換之前，輸入電流開始通過兩條路徑反向?qū)敵鲭娙莩潆姡浩湟皇峭ㄟ^跨接在M1和M2上的CIN去耦電容，其二是通過INTVCC電容路徑。如果CIN或CINTVcc明顯大于COUT，則可能出現(xiàn)更高的反向輸出電壓。

然而，μModule穩(wěn)壓器內(nèi)部存在固有的箝位電路，如圖11所示。VSD3和VSD4分別表示M3和M4的源漏電壓。當(dāng)-VOUT > VSD3 + VSD4時，M3和M4的體二極管導(dǎo)通，接管充電電流。這兩個體二極管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12顯示了啟動期間基準(zhǔn)平臺測試的反向輸出電壓波形。在圖12a中，反向-VOUT的幅度約為+0.75 V，與COUT (330 μF)相比，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12b所示。

CIN與COUT的比率可以調(diào)整，以使正輸出電壓最小。在達(dá)到內(nèi)部箝位電壓Vsd3 + Vsd4之前，比率越小，正輸出電壓越低。此外，輸出端可以添加一個外部低正向壓降箝位肖特基二極管，以將正電壓限制在所需水平，如圖8所示。

圖10.啟動期間的充電電流流動路徑。

圖11.四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的自然箝位電路。

圖12.啟動期間的反向-VOUT波形：(a)與COUT (330 μF)相比，CIN (50 μF)相對較?。?b)與COUT (330 μF)相比，CIN (350 μF)相對較大。

結(jié)語

該款四開關(guān)降壓-升壓型穩(wěn)壓器可以直接用作降壓或升壓型穩(wěn)壓器，無需任何特殊配置?；鶞?zhǔn)測試已驗證，與現(xiàn)有其他降壓或升壓型μModule穩(wěn)壓器相比，新推出的降壓-升壓型μModule擁有更高的效率、更好的熱性能和更強(qiáng)的電流處理能力。此外，該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以輕松配置為反相降壓-升壓型穩(wěn)壓器，以滿足負(fù)輸出應(yīng)用的需要。該款器件的效率也非常高，在基準(zhǔn)測試中得到了證實。此外，本文討論了瞬時反向輸出電壓行為背后的機(jī)制，并提供了應(yīng)對此類問題的設(shè)計指南和解決方案。

若要全面了解如何正確使用這款新推出的四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器，建議參考數(shù)據(jù)手冊和相關(guān)的評估套件設(shè)計。該款器件還受到LTpowerCAD?設(shè)計工具和LTspice?仿真工具的支持。這些資源提供了寶貴的見解和技術(shù)規(guī)范，對于用戶在不同應(yīng)用中優(yōu)化性能至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)

Ling Jiang、Wesley Ballar、Anjan Panigrahy、Henry Zhang，“μModule Regulator Achieves Highest Power Efficiency”，Electronic Products，2024年10月。

作者簡介

Ling Jiang于2018年畢業(yè)于田納西大學(xué)諾克斯維爾分校，獲電氣工程博士學(xué)位。畢業(yè)后，她加入了ADI公司電源產(chǎn)品部，工作地點位于美國加利福尼亞灣區(qū)。她目前是一名應(yīng)用經(jīng)理，負(fù)責(zé)支持針對多市場應(yīng)用的μModule?產(chǎn)品。

Wesley Ballar是多市場應(yīng)用部門的高級產(chǎn)品應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)μModule?產(chǎn)品支持工作。自2016年加入ADI公司以來，他在不同崗位上為μModule團(tuán)隊提供支持。Wesley于2015年畢業(yè)于加州州立理工大學(xué)，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。

Anjan Panigrahy于2023年畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，獲電氣與計算機(jī)工程學(xué)位，主修電力電子學(xué)。他現(xiàn)擔(dān)任ADI公司多市場應(yīng)用部門的產(chǎn)品應(yīng)用工程師，從事μModule?穩(wěn)壓器支持工作。

Henry Zhang是ADI公司院士。他于1994年獲得中國浙江大學(xué)頒發(fā)的電子工程學(xué)士學(xué)位，分別于1998年和2001年獲得弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)（黑堡）頒發(fā)的電子工程碩士學(xué)位和博士學(xué)位。他于2001年加入凌力爾特（現(xiàn)在已成為ADI的一部分）。