新一代大電流、高性能降壓和升壓型μModule穩壓器

作者：ADI資深產品應用經理 Ling Jiang、資深產品應用工程師 Wesley Ballar、產品應用工程師 Anjan Panigrahy 以及研究員暨資深產品應用總監Henry Zhang

摘要

本文將為讀者介紹一種新型高性能升壓和降壓型μModule ^®穩壓器。相較於上一代大電流降壓-升壓μModule穩壓器，其實現了更高的能效比和更優的熱性能，文中並將介紹其他重要特性，包括適用於更高功率應用的並聯配置、可選的恆流調節功能，以及安全備用輸入配置。

簡介

許多應用都需要寬廣輸入和/或輸出電壓範圍，例如電池供電系統。在輸入電壓可能低於或高於輸出電壓的情況下，電源需要調節其輸出電壓。只要不需要接地隔離，四開關降壓-升壓拓撲結構就能為此類應用提供超高的效率和功率密度。此外，降壓-升壓穩壓器非常具有彈性，可用於單純的降壓電源或升壓（具有短路保護）電源。

ADI µModule部門開發了多款降壓-升壓穩壓器。如圖1所示，LTM8045、LTM8049、LTM8083和LTM4693 目的在滿足較低電流應用的需求。而LTM4607系列、 LTM8055系列以及新發表的LTM4712降壓-升壓模組支援大電流應用（最高12 A）。LTM4607/LTM4605/LTM4609 系列內部整合了控制器和MOSFET，但需要在PCB上連接外部功率電感和感測電阻(R_SENSE)，以構成完整的電源解決方案，如圖2所示。

而LTM8054、LTM8055和LTM8056則將功率電感和RSENSE整合到µModule封裝中，進而簡化了客戶的設計和佈局工作，如圖3所示。相較於LTM4607系列，LTM8055系列提供了更精巧尺寸的解決方案，但其輸出電流受限於精巧尺寸整合電感，因此熱性能和效率方面存在一定的侷限性。

ADI於2023年時發表了新款大電流、四開關降壓-升壓穩壓器LTM4712。這是一款36 V_IN（最大值）、12 A功率模組，採用高密度16 mm × 16 mm × 8.34 mm BGA封裝。其採用ADI專有的先進元件封裝技術，將高性能功率電感整合到封裝中。圖4顯示了該模組中整合的專有電流感測方案。這不僅節省了空間，而且還有效減少了額外的功率損耗。該元件採用先進的降壓-升壓控制器和先進ADI封裝，能夠在寬廣輸入輸出電壓範圍內實現超高的功率水準、功率密度、效率和卓越的熱性能。

LTM4712具有快速逐週期電流模式控制功能，有助於實現可靠的保護和平穩的模式轉換。當採用並聯配置以支援更高電流的應用時，其有助於實現卓越的均流功能。此外，此款新元件支援可選的恆定輸出電流模式，可用於電池充電應用，同時還允許冗餘輸入，進而增強其作為冗餘電源的通用性。

表1全面比較了LTM4712、LTM4607系列和LTM8055系列模組。其中LTM4712因其大電流、高能效比和用戶友好型設計脫穎而出，非常適合於可接受8.34 mm高度的應用。

LTM4712帶來明顯的效率提升和熱性能改善

圖5比較了LTM4607、LTM8055和最近推出的LTM4712在6 V V_IN、12 V V_IN、24 V V_IN及12 V V_OUT 條件下的效率。評估使用了可線上訂購的標準評估板。根據測試結果，LTM4712在效率方面明顯優於其他兩款產品，並且電流能力更強。

圖6顯示了室溫條件下無任何強制散熱措施時的熱性能比較。值得注意的是，在12 V V_IN和12 V V_OUT條件下，相較於LTM8055，LTM4712在功率翻倍的情況下溫度降低了30°C。對於需要12 A電流的應用而言，如果使用LTM8055，則根據散熱系統的不同，可能需要並聯兩到三個元件。然而，如果使用LTM4712，那麼一個元件就足夠了，由於PCB佔用空間大幅減少，電路設計也可更為簡單。

表2全面呈現了LTM4712、LTM4607和LTM8055在各種工作條件下的效率和熱性能，其環境溫度為25°C，無強制散熱。圖7展示了電流密度與解決方案尺寸的關係。所有測試和比較均基於可線上訂購的標準展示板進行。

並聯配置下實現良好的均流

LTM4712支援並聯配置，透過簡單的設定即可實現更高的輸出功率。得益於電流模式控制，其具備卓越的均流性能。EVAL-LTM4712-A2Z 評估套件展示了四個模組並聯運行的情況，此時能提供48 A的總輸出電流。

當利用該元件實現並聯配置時，必須參考評估板的設計和配置。為了實現有效均流，並聯模組時需要連接COMP接腳和FB接腳。PHMODE接腳可用於配置相移。在四個模組並聯的情況下，PHMODE接腳連接至INTV_CC可以產生90°相移，進而實現卓越的交錯效果。此外，為了實現頻率同步，應將第一個模組的CLOCKOUT訊號連接到第二個模組的SYNC接腳。

圖8展示了無強制散熱情況下的熱圖像，可以看到每個LTM4712的溫度相似，表示均流效果良好。圖9顯示了48 A負載條件下每個元件上的IMON電壓。每個IMON接腳的電壓平均值約為0.7 V，表示每個通道的負載為12 A。這些測試均在評估板上進行。

可選恆流調節

LTM4712可用於恆定輸出電流源，因此適用於電池充電器或LED驅動器等應用。圖10所示的示例電路設計用於提供穩定的10 A負載電流。

負載電流透過ISET接腳和輸出端附近的外部輸出電流感測電阻來設定。公式V_SENSE = I_OUT × R_{SENSE_IOUT} 定義了代表平均輸出電流的電壓。最大 V_SENSE由ISET接腳上的電壓決定，範圍為0.2 V至1.2 V，線性對應0 mV至50 mV。ISET接腳電壓V_ISET由一個15 μA內部電流源和一個連接在ISET接腳與地之間的電阻R_ISET決定，表示為V_ISET = 15 μA × R_ISET。因此，輸出電流計算公式為：I_OUT = (V_ISET – 0.2 V)/(20 × R_{SENSE_IOUT})。根據該公式，基於5 mΩ R_{SENSE_IOUT}的輸出電流隨不同V_ISET的變化如圖11中的藍色曲線所示。圖11中的紫色曲線為工作台測試結果。可以看到，測量結果與理想曲線高度吻合，表示恆流調節精度卓越。

需要注意的是，當ISET接腳浮空時，或當ISET接腳電壓超過1.2 V時，內部電路會將最大VSENSE限制為50 mV。由於輸出中存在漣波電流，必須在ISP和ISN接腳上使用RC濾波器，以實現準確的平均電流感測。此外，在選擇FB接腳和地之間的回饋電阻時，應確保其產生的輸出電壓高於目標 V_OUT。

安全備用電源

LTM4712適用於需要安全備用輸入的應用。其可用於需要備用電源的系統，或是那些從不同輸入源獲取電源以支援公共負載的系統。圖12顯示了一個示例電路，其中的兩個模組由不同輸入（V_IN1和V_IN2）供電，共同為24 A負載提供12 V輸出。值得注意的是，任一輸入電壓下降都不會影響輸出調節，而且透過連接COMP接腳，峰值電感均流作用始終有效。

圖13顯示了兩種不同條件下的工作台測試波形。圖13a展示了相位1和相位2都在降壓-升壓模式下運行的情況。最初，相位1提供4 A負載電流，在相位2啟動後，二者逐漸各自分擔一半的負載電流。IMON波形顯示，當兩個相位都在運行時，兩個相位將平等分擔負載電流。

圖13b展示了相同負載條件但輸入不同的情況。這裡的相位1以升壓模式運行，而相位2則以降壓模式運行。由於COMP接腳連接在一起，兩個相位的峰值電感電流相同。因此，相位1（升壓）的輸出電流低於相位2（降壓）的輸出電流。每個相位提供的具體負載電流可以根據電感、開關頻率、V_IN、V_OUT和總負載電流等參數計算得出。在此示例中，相位1提供1.4 A負載電流，而相位2提供2.6 A負載電流。

設計和模擬工具

為了進一步簡化用戶的設計工作，LTM4712得到了 LTpowerCAD^®工具和LTspice^® 軟體的支援：前者用於優化電源元件、效率、迴路補償和負載瞬態，後者用於執行時域動態模擬。

結論

LTM4712是一款性能突出的全整合式降壓-升壓型µModule穩壓器，以卓越的效率、高功率密度和良好的熱性能著稱。其在並聯配置中表現出良好的均流能力，多個元件可以輕鬆並聯以支援更高功率的應用。該元件可以彈性配置為恆定電流輸出，因此非常適合電池充電系統或LED應用。此外，其並支援安全備用輸入，進而進一步提高了適應性。

若要全面瞭解如何正確使用該元件，建議參考產品手冊和相關的評估套件設計。這些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將提供重要的協助。