【導讀】針對需支持寬輸入/輸出電壓范圍的電源轉換場景，ADI推出全集成四開關降壓-升壓型μModule穩壓器，將控制器、MOSFET、功率電感及電容集成于3D封裝中，兼具緊湊設計、高功率密度與優異效率、熱性能。該器件無需額外配置即可靈活適配降壓、升壓及反相輸出等多拓撲應用，滿足云計算、工業控制等場景對寬電壓、高可靠電源的需求。
摘要
針對需支持寬輸入/輸出電壓范圍的電源轉換場景，ADI推出全集成四開關降壓-升壓型μModule穩壓器，將控制器、MOSFET、功率電感及電容集成于3D封裝中，兼具緊湊設計、高功率密度與優異效率、熱性能。該器件無需額外配置即可靈活適配降壓、升壓及反相輸出等多拓撲應用，滿足云計算、工業控制等場景對寬電壓、高可靠電源的需求。
四開關降壓-升壓拓撲用作降壓型穩壓器
ADI公司推出了多款40 V降壓型μModule穩壓器。圖1重點展示了最大負載電流在 4 A以上的幾款現有穩壓器，但這些降壓型穩壓器支持的電壓和電流范圍有限。采用新推出的四開關降壓-升壓型μModule穩壓器LTM4712作為降壓轉換器，可以顯著拓展工作范圍，從而簡化客戶的系統設計。
圖1.40 VIN (>4 A)降壓型μModule穩壓器。
該款四開關降壓-升壓轉換器可以輕松配置為降壓轉換器，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2所示。與之前的降壓穩壓器LTM4613相比，盡管M4引入了額外的傳導損耗，但新器件仍然實現了更高的能效比，如圖3所示。這一改進是MOSFET和電感技術進步的結果。
表1顯示了無強制散熱措施下的熱性能比較，凸顯了降壓-升壓轉換器的效率優勢。新器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
圖2.用作降壓型穩壓器。
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，無強制散熱措施
四開關降壓-升壓拓撲用作升壓型穩壓器
如圖4所示，ADI公司之前已經發布了一款40 V升壓型μModule穩壓器。LTM4656支持最大4A電流，而新發布的四開關降壓-升壓轉換器在用作升壓調節器時，可以處理更高的負載電流。
圖4.ADI 40 V升壓型穩壓器系列。
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5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沖擊電流通過升壓二極管，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，因此其輸入沖擊電流受到電感電流軟啟動的嚴格控制和限制。總之，相比常規升壓調節器，該款四開關降壓-升壓轉換器可實現更可靠的升壓轉換器。
圖5.用作升壓調節器，具備固有的輸出短路保護功能。
圖6和表2比較了該款四開關降壓-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。第一款器件表現出優越的效率、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，無強制散熱措施
四開關降壓-升壓拓撲用作反相降壓-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，以用于負輸出應用。如圖7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。
圖7.配置為反相降壓-升壓型穩壓器。
圖8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，支持高達10 A的負載電流。圖9顯示了從基準平臺測試獲得的效率曲線。
圖8.反相配置的電路示例。
圖9.基準平臺測試的-12 VOUT效率曲線。
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伏以上。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對輸出電容充電：其一是通過跨接在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11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的體二極管導通，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11.四開關降壓-升壓轉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)相對較小；(b)與COUT (330 μF)相比，CIN (350 μF)相對較大。
結語
該四開關降壓-升壓型μModule穩壓器無需特殊配置即可直接作為降壓或升壓穩壓器使用，基準測試顯示其在效率、熱性能及電流處理能力上均優于同類產品；同時支持反相輸出配置，滿足負電壓應用需求。針對瞬時反向電壓等場景，文中提供了設計指南。使用時建議結合數據手冊、評估套件及LTpowerCAD、LTspice工具優化性能，確保不同應用下的穩定輸出。
參考文獻
Ling Jiang、Wesley Ballar、Anjan Panigrahy、Henry Zhang，“μModule Regulator Achieves Highest Power Efficiency”，Electronic Products，2024年10月。
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