配置四開關降壓-升壓型µModule穩壓器來適應不同應用：升壓、降壓或反相輸出

作者：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


摘要

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，實現了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。本文重點介紹了該款元件的多功能性，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。

四開關降壓-升壓拓撲用作降壓型穩壓器

ADI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援的電壓和電流範圍有限。採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，可以顯著拓展工作範圍，進而簡化客戶的系統設計。

Figure 1. 40 VIN (>4 A) buck µModule regulators.
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2所示。相較於之前的降壓穩壓器 LTM4613，儘管M4引入了額外的傳導損耗，但新元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，突顯了降壓-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。

Figure 2. Utilizing as a buck regulator.
圖2.用於降壓型穩壓器。
Figure 3. Buck mode efficiency and current capability comparison: (a) 5 V<sub>OUT</sub> efficiency and (b) 12 V<sub>OUT</sub> efficiency.
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
工作條件 參數 LTM4712 LTM4613
12 VIN/5 VOUT
最大 IOUT 12 A 8 A
IMAX時的效率 94.7% 93%
IMAX時的溫度 58°C 70°C
36 VIN/12 VOUT
最大 IOUT 12 A 6 A
IMAX時的效率 96.2% 93%
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4所示，ADI之前已經發表了一款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。

Figure 4. ADI 40 V boost regulator family.
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。

Figure 5. Utilizing as a boost regulator with inherent output short protection.
圖5.用於升壓調節器，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。第一款元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。

Figure 6. Boost mode efficiency and current capability comparison: (a) 24 V<sub>OUT</sub> efficiency and (b) 36 V<sub>OUT</sub> efficiency.
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
工作條件 參數 LTM4712 LTM4656
12 VIN/24 VOUT
最大 IOUT 6 A 4 A
IMAX時的效率 96.9% 95.7%
IMAX時的溫度 69°C 81°C
12 VIN/36 VOUT
最大 IOUT 4 A 2.5 A
IMAX時的效率 96.1% 94.8%
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。

Figure 7. Configure as an inverting buck-boost regulator.
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，支援高達10 A的負載電流。圖9顯示了從基準平台測試獲得的效率曲線。

Figure 8. Example circuit of an inverting configuration.
圖8.反相配置的電路示例。
Figure 9. Bench tested efficiency curves for –12 VOUT .
圖9.基準平台測試的-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10展示了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12顯示了啟動期間基準平台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，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8所示。

Figure 10. Charging current flow paths during startup.
圖10.啟動期間的充電電流流動路徑。
Figure 11. The natural clamping circuit in the four-switch buck-boost.
圖11.四開關降壓-升壓轉換器中的自然箝位電路。
Figure 12. Reversed –VOUT waveforms during startup: (a) relatively small CIN (50 μF) compared to COUT (330 μF) and (b) relatively large CIN (350 μF) com pared to COUT (330 μF).
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，透過本文所討論的暫態反向輸出電壓行為背後的機制，也提供了因應此類問題的設計指南和解決方案。

若要全面瞭解如何正確使用這款新推出的四開關降壓-升壓型μModule穩壓器，建議參考產品手冊和相關的評估套件設計。該款元件還受到 LTpowerCAD® 設計工具和 LTspice® 模擬工具的支援。相關資源提供了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。

參考文獻

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