×

Figure 1

   

摘要

许多电源转换应用都需要支持宽输入或输出电压范围。ADI公司的一款大电流、高效率、全集成式四开关降压-升压型电源模块可以满足此类应用的需求。该款器件将控制器、MOSFET、功率电感和电容集成到先进的3D集成封装中，实现了紧凑的设计和稳健的性能。这款µModule®稳压器支持非常宽的输入和输出电压范围，拥有高功率密度、优越的效率和出色的热性能。本文重点介绍了该款器件的多功能性，展示了它在各种拓扑中的应用，包括降压拓扑、升压拓扑和适用于负输出应用的反相降压-升压配置。

四开关降压-升压拓扑用作降压型稳压器

ADI公司推出了多款40 V降压型µModule稳压器。图1重点展示了最 大负载电流在 4 A以上的几款现有稳压器，但这些降压型稳压器支持的电压和电流范围有限。采用新推出的四开关降压-升压型 µModule稳压器 LTM4712作为降压转换器，可以显著拓展工作范围，从而简化客户的系统设计。

该款四开关降压-升压转换器可以轻松配置为降压转换器，无需任何特殊调整。当 V_IN > V_OUT时，内部控制器会让功率FET M3保持关断，而M4保持导通。M1和M2会调节输出，就像标准降压转换器一样运行，如图2所示。与之前的降压稳压器LTM4613相比，尽管M4引入了额外的传导损耗，但新器件仍然实现了更高的能效比，如图3所示。这一改进是MOSFET和电感技术进步的结果。

表1显示了无强制散热措施下的热性能比较，凸显了降压-升压转换器的效率优势。新器件提供的功率虽然比降压调节器高得多，但工作温度反而更低，而且尺寸相似。

表1. 降压模式热性能比较，TA = 25°C，无强制 散热措施

工作条件	参数	LTM4712	LTM4613
12 VIN/5 VOUT
	最大 IOUT	12 A	8 A
	IMAX时的效率	94.7%	93%
	IMAX时的温度	58°C	70°C
36 VIN/12 VOUT
	最大 IOUT	12 A	6 A
	IMAX时的效率	96.2%	93%
	IMAX时的温度	80°C	101°C

四开关降压-升压拓扑用作升压型稳压器

如图4所示，ADI公司之前已经发布了一款40 V升压型μModule稳压器。LTM4656支持最大4A电流，而新发布的四开关降压-升压转换器在用作升压调节器时，可以处理更高的负载电流。

在V_IN < V_OUT的应用中使用该款四开关降压-升压转换器时，内部开 关M1保持导通，而M2保持关断。M3和M4会自然地调节输出，就 像典型升压转换器一样，如图5所示。与缺乏输出短路保护的标 准升压转换器不同，该款四开关降压-升压转换器具备固有的短 路保护功能。如果输出短接到地，M1和M2将像降压转换器一样 切换，限制从输入流到输出的电流。最大短路电流受输入或输 出路径中的R_SENSE电阻或峰值电感限流值（以较低者为准）的限 制。此外，在初始V_IN快速上升阶段，常规升压转换器通常会有 不受控制的高冲击电流通过升压二极管，对C_OUT充电。该款四开 关降压-升压转换器在V_OUT较低时始终以降压模式启动，因此其 输入冲击电流受到电感电流软启动的严格控制和限制。总之， 相比常规升压调节器，该款四开关降压-升压转换器可实现更可 靠的升压转换器。

图6和表2比较了该款四开关降压-升压型µModule稳压器与降压型µModule稳压器的效率、功率能力和热性能。第一款器件表现出优越的效率、更大的电流处理能力和明显更好的热性能。两款稳压器尺寸相同，均为16 mm × 16 mm。

表2. 升压模式热性能比较，TA = 25°C，无强制散热措施

工作条件	参数	LTM4712	LTM4656
12 VIN/24 VOUT
	最大 IOUT	6 A	4 A
	IMAX时的效率	96.9%	95.7%
	IMAX时的温度	69°C	81°C
12 VIN/36 VOUT
	最大 IOUT	4 A	2.5 A
	IMAX时的效率	96.1%	94.8%
	IMAX时的温度	84°C	89°C

四开关降压-升压拓扑用作反相降压-升压型稳压器以提供负输出电压

与标准降压转换器类似，该款四开关降压-升压转换器也可配置为反相降压-升压拓扑，以用于负输出应用。如图7所示，M1和M2以互补方式切换；在此操作期间，M3关断，M4导通。请注意，最大电压V_MAX = |V_IN|+|V_OUT|必须小于40 V，即该器件的最大额定电压。流过电感的直流电流IL的幅度计算公式为I_L= I_OUT/(1-D)，其中D是包含M1和M2的相位臂的占空比，M1是主开关。

图8为反相配置的电路示例，该电路设计为24 V输入和-12 V输出，支持高达10 A的负载电流。图9显示了从基准平台测试获得的效率曲线。

在反相降压-升压转换器中，输出电压在启动期间可能会略微上升至零伏以上。将该款四开关降压-升压型稳压器配置为反相模式时，也观察到同样的行为。

图10展示了启动期间输出电压反向的原理。在输入电源接通后，但在所有四个MOSFET开始切换之前，输入电流开始通过两条路径反向对输出电容充电：其一是通过跨接在M1和M2上的 C_IN 去耦电容，其二是通过 INTV_{CC电容路径。如果CIN或CINTVcc明显大于COUT，则可能出现更高的反向输出电压。}

然而，µModule稳压器内部存在固有的箝位电路，如图11所示。V_SD3和V_SD4分别表示M3和M4的源漏电压。当 –V_OUT> V_SD3 + V_SD4时，M3和M4的 体二极管导通，接管充电电流。这两个体二极管形成一个自然箝位电路。换句话说，最大反向输出电压为V_SD3 + V_SD4。

图12显示了启动期间基准平台测试的反向输出电压波形。在图12a中，反向 -V_OUT的幅度约为+0.75 V，与 C_OUT (330 µF)相比，电路中的C_IN (50 µF)有限。将CIN增加至350 µF时，观察到反向–V_OUT升高至+1.5 V，如图12b所示。

C_IN与C_OUT的比率可以调整，以使正输出电压最小。在达到内部箝位电压V_sd3 +V_sd4之前，比率越小，正输出电压越低。此外，输出端可以添加一个外部低正向压降箝位肖特基二极管，以将正电压限制在所需水平，如图8所示。

结语

该款四开关降压-升压型稳压器可以直接用作降压或升压型稳压器，无需任何特殊配置。基准测试已验证，与现有其他降压或升压型µModule稳压器相比，新推出的降压-升压型µModule拥有更高的效率、更好的热性能和更强的电流处理能力。此外，该款四开关降压-升压转换器可以轻松配置为反相降压-升压型稳压器，以满足负输出应用的需要。该款器件的效率也非常高，在基准测试中得到了证实。此外，本文讨论了瞬时反向输出电压行为背后的机制，并提供了应对此类问题的设计指南和解决方案。

若要全面了解如何正确使用这款新推出的四开关降压-升压型μModule稳压器，建议参考数据手册和相关的评估套件设计。该款器件还受到LTpowerCAD®设计工具和LTspice®仿真工具的支持。这些资源提供了宝贵的见解和技术规范，对于用户在不同应用中优化性能至关重要。

参考文献

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

关于作者

Ling Jiang

Ling Jiang于2018年毕业于田纳西州诺克斯维尔大学，获电气工程博士学位。毕业后，她加入ADI公司电源产品部，工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。Ling是一名应用工程师，负责为汽车、数据中心、工业和其他应用的控制器和µModule器件提供支持。

Wesley Ballar

Wesley Ballar是多市场应用部门的应用工程师，主要负责µModule®产品支持工作。自2016年加入ADI公司以来，他在不同岗位上为µModule团队提供支持。Wesley于2015年毕业于加州州立理工大学，获电气工程学士学位。

Anjan Panigrahy

Anjan Panigrahy于2023年毕业于德克萨斯大学奥斯汀分校，获电气与计算机工程学位，主修电力电子学。他现担任ADI公司多市场应用部门的产品应用工程师，从事μModule®稳压器支持工作。

Henry Zhang

Henry Zhang是ADI的Power by Linear™应用经理。他于1994年获得中国浙江大学颁发的电子工程学士学位，分别于1998年和2001年获得弗吉尼亚理工学院暨州立大学（黑堡）颁发的电子工程硕士学位和博士学位。