新一代大电流、高性能降压和升压型μModule稳压器

by Ling Jiang,Wesley Ballar ,Anjan Panigrahy 和 Henry Zhang

2025-01-01

摘要

本文介绍一种新型高性能升压和降压型μModule®稳压器。与上一代大电流降压-升压μModule稳压器相比，它实现了更高的能效比和更优的热性能。本文还介绍了其他一些重要特性，包括适用于更高功率应用的并联配置、可选的恒流调节功能，以及冗余输入配置。

简介

许多应用都需要宽输入和/或输出电压范围，例如电池供电系统。在输入电压可能低于或高于输出电压的情况下，电源需要调节其输出电压。只要不需要接地隔离，四开关降压-升压拓扑结构就能为此类应用提供超高的效率和功率密度。此外，降压升压稳压器非常灵活，可用作单纯的降压电源或升压（带短路保护）电源。

ADI公司的µModule部门开发了多款降压-升压稳压器。如图1所示， LTM8045、LTM8049、LTM8083和 LTM4693 旨在满足较低电流应用的需求。而LTM4607系列、LTM8055系列以及新发布的LTM4712降压-升压模块支持大电流应用（最高12 A）。 LTM4607/LTM4605/LTM4609 系列内部集成了控制器和MOSFET，但需要在PCB上连接外部功率电感和检测电阻(R_SENSE)，以构成完整的电源解决方案，如图2所示。

Figure 1. The ADI four-switch buck-boost family. — 图1. ADI四开关降压-升压系列

Figure 2. The LTM4607 power stage schematic. — 图2. LTM4607功率级原理图

而LTM8054、LTM8055和LTM8056则将功率电感和 R_SENSE集成到µModule封装中，从而简化了客户的设计和布局工作，如图3所示。与LTM4607系列相比，LTM8055系列提供了更小尺寸的解决方案，但其输出电流受限于小尺寸集成电感，因此热性能和效率方面存在一定局限性。

Figure 3. The LTM8055 typical application circuit. — 图3. LTM8055典型应用电路

2023年，ADI发布了新款大电流、四开关降压-升压稳压器LTM4712。这是一款36 V_IN（最大值）、12 A功率模块，采用高密度16 mm × 16 mm × 8.34 mm BGA封装。它采用ADI专有的先进组件封装技术，将高性能功率电感集成到封装中。图4显示了该模块中集成的专有电流检测方案。这不仅节省了空间，而且还有效减少了额外的功率损耗。该器件采用先进的降压-升压控制器和高级ADI封装，能够在宽输入输出电压范围内实现超高的功率水平、功率密度、效率和出色的热性能。

Figure 4. The LTM4712 typical application circuit. — 图4. LTM4712典型应用电路

LTM4712具有快速逐周期电流模式控制功能，有助于实现可靠的保护和平稳的模式转换。当采用并联配置以支持更高电流的应用时，它有助于实现出色的均流功能。此外，这款新器件支持可选的恒定输出电流模式，可用于电池充电应用，同时还允许冗余输入，从而增强其作为冗余电源的通用性。

表1全面比较了LTM4712、LTM4607系列和LTM8055系列模块。LTM4712因其大电流、高能效比和用户友好型设计脱颖而出，非常适合可接受8.34 mm高度的应用。

表1. LTM4712、LTM4605系列和LTM8055系列总结
	LTM4712	LTM4605	LTM4607	LTM4609	LTM8054	LTM8055	LTM8056
电感、 R_SENSE	集成L/DCR	外部L和 R_SENSE			集成 L 和 R_SENSE
控制策略	峰值电流	谷值电流用于降压峰值电流用于升压			谷值电流用于降压峰值电流用于升压
V_IN范围	5 V 至 36 V	4.5 V 至 20 V	4.5 V 至 36 V	4.5 V 至 36 V	5 V 至 36 V	5 V 至 36 V	5 V to 60 V
V_OUT 范围	1 V至 36 V	0.8 V 至 16 V	0.8 V 至 24 V	0.8 V 至 34 V	1.2 V 至 36 V	1.2 V 至 3 V	1.2 V to 48 V
I_{OUT_MAX}（降压）	12 A	12 A	10 A	10 A	5.4 A	8.5 A	5.5 A
I_{OUT_MAX} (6 V_IN 转 12 V_OUT)	6 A	5 A	5 A	4 A	1.8 A	3 A	1.7 A
封装尺寸(mm)	16 × 16 × 8.34 (BGA)	15 × 15 × 2.82 (LGA)		15 × 15 × 2.82 (LGA) 15 × 15 × 3.42 (BGA)	15 × 11.25 × 3.4 (BGA)	15 × 15 × 4.92 (BGA)
引脚兼容性	N/A	引脚兼容			N/A	引脚兼容
效率	最高	中等			最低

LTM4712带来显著的效率提升和热性能改善

图5比较了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条件下的效率。评估使用了可在线订购的标准评估板。根据测试结果，LTM4712在效率方面明显优于其他两款产品，并且电流能力更强。

Figure 5. Efficiency comparison among the LTM4712, LTM4607, and LTM8055. — 图5. LTM4712、LTM4607和LTM8055之间的效率比较

图6显示了室温条件下无任何强制散热措施时的热性能比较。值得注意的是，在12 V V_IN和12 V V_OUT条件下，与LTM8055相比，LTM4712在功率翻倍的情况下温度降低了30°C。对于需要12 A电流的应用，如果使用LTM8055，则根据散热系统的不同，可能需要并联两到三个该器件。然而，如果使用LTM4712，那么一个器件就足够了，PCB占用空间大大减少，电路设计也更简单。

Figure 6. Thermal performance comparison among the LTM4712, LTM4607, and LTM8055, TA = 25°C, no forced cooling. — 图6. LTM4712、LTM4607和LTM8055之间的热性能比较，TA = 25°C，无强制散热

图6. LTM4712、LTM4607和LTM8055之间的热性能比较，TA = 25°C，无强制散热

表2全面呈现了LTM4712、LTM4607和LTM8055在各种工作条件下的效率和热性能，环境温度为25°C，无强制散热。图7展示了电流密度与解决方案尺寸的关系。所有测试和比较均基于可在线订购的标准演示板进行。

表2. 效率和热性能比较
工作工作条件	参数	LTM4712	LTM4607	LTM8055
6 V_IN/12 V_OUT （升压）	最大 I_OUT (A)	6	5	3
	效率 (%)_I_MAX	93.7	93.2	91.5
	温度 (°C)_I_MAX	62	76	80
12 V_IN/12 V_OUT （降压-升压）	最大 I_OUT (A)	12	10	6
	效率 (%)_I_MAX	96.4	95.9	93
	温度 (°C)_I_MAX	80	79	125
24 V_IN/12 V_OUT （降压）	Max I_OUT (A)	12	10	6
	效率 (%)_I_MAX	97	95	93.6
	温度 (°C)_I_MAX	72	93	110

Figure 7. Current density comparison among the LTM4712, LTM4607, and LTM8055. — 图7. LTM4712、LTM4607和LTM8055之间的电流密度比较

并联配置下实现良好的均流

LTM4712支持并联配置，通过简单的设置即可实现更高的输出功率。得益于电流模式控制，它具备出色的均流性能。 EVAL-LTM4712-A2Z评估套件展示了四个模块并联运行的情况，此时能提供48 A的总输出电流。

当利用该器件实现并联配置时，必须参考评估板的设计和配置。为了实现有效均流，并联模块时需要连接COMP引脚和FB引脚。PHMODE引脚可用于配置相移。在四个模块并联的情况下，PHMODE引脚连接至INTV_CC可以产生90°相移，从而实现出色的交错效果。此外，为了实现频率同步，应将第一个模块的CLOCKOUT信号连接到第二个模块的SYNC引脚。

图8展示了无强制散热情况下的热图像，可以看到每个LTM4712的温度相似，表明均流效果良好。图9显示了48 A负载条件下每个器件上的IMON电压。每个IMON引脚的电压平均值约为0.7 V，表明每个通道的负载为12 A。这些测试均在评估板上进行。

Figure 8. 4× LTM4712 in parallel to deliver 48 A at 36 VIN, 12 VOUT, TA = 25°C, no added airflow. — 8. 4个LTM4712并联，在36 V_IN、12V_OUT、TA = 25°C下提供48 A电流，无外加气流

8. 4个LTM4712并联，在36 V_IN、12V_OUT、TA = 25°C下提供48 A电流，无外加气流

Figure 9. IMON voltage on each LTM4712 with a 48 A load. — 图9. 48 A负载下每个LTM4712上的IMON电压

可选恒流调节

LTM4712可用作恒定输出电流源，因此适用于电池充电器或LED驱动器等应用。图10所示的示例电路设计用于提供稳定的10 A负载电流。

Figure 10. Example circuit of 10 A constant load current. — 图10. 10 A恒定负载电流的示例电路

负载电流通过ISET引脚和输出端附近的外部输出电流检测电阻来设置。公式V_SENSE = I_OUT × R_{SENSE_IOUT} 定义了代表平均输出电流的电压。最大V_SENSE由ISET引脚上的电压决定，范围为0.2 V至1.2 V，线性对应 0 mV至50 mV。ISET引脚电压V_ISET由一个15 μA内部电流源和一个连接在ISET引脚与地之间的电阻R_ISET决定，表示为V_ISET = 15 μA × R_ISET 因此，输出电流计算公式为：IOUT = (VISET - 0.2 V)/(20 × RSENSE_IOUT)。根据该公式，基于5 mΩ RSENSE_IOUT的输出电流随不同VISET的变化如图11中的蓝色曲线所示。图11中的紫色曲线为工作台测试结果。可以看到，测量结果与理想曲线高度吻合，表明恒流调节精度出色。

Figure 11. Bench-tested constant output current regulation with different
VISET based on 5 mΩ RSENSE_IOUT. — 图11. 基于5 mΩ R_{SENSE_IOUT}，不同 V_ISET 下恒定输出电流调节的工作台测试

图11. 基于5 mΩ R_{SENSE_IOUT}，不同 V_ISET 下恒定输出电流调节的工作台测试

需要注意的是，当ISET引脚浮空时，或当ISET引脚电压超过1.2 V时，内部电路会将最大 V_SENSE限制为50 mV。由于输出中存在纹波电流，必须在ISP和ISN引脚上使用RC滤波器，以实现准确的平均电流检测。此外，在选择FB引脚和地之间的反馈电阻时，应确保其产生的输出电压高于目标V_OUT。

冗余电源

TLTM4712适用于需要冗余输入的应用。它可用于需要备用电源的系统，或是那些从不同输入源获取电源以支持公共负载的系统。图12显示了一个示例电路，其中的两个模块由不同输入（V_IN1和V_IN2）供电，共同为24 A负载提供12 V输出。值得注意的是，任一输入电压下降都不会影响输出调节，而且通过连接COMP引脚，峰值电感均流作用始终有效。

Figure 12. Input redundancy application circuit. — 图12. 输入冗余应用电路

图13显示了两种不同条件下的工作台测试波形。图13a展示了相位1和相位2都在降压-升压模式下运行的情况。最初，相位1提供4 A负载电流，在相位2激活后，二者逐渐各自分担一半的负载电流。IMON波形显示，当两个相位都在运行时，两个相位平等分担负载电流。

Figure 13. Input redundancy application circuit. — 图13. 输入冗余应用电路

图13b展示了相同负载条件但输入不同的情况。这里，相位1以升压模式运行，而相位2以降压模式运行。由于COMP引脚连接在一起，两个相位的峰值电感电流相同。因此，相位1（升压）的输出电流低于相位2（降压）的输出电流。每个相位提供的具体负载电流可以根据电感、开关频率、 V_IN、V_OUT和总负载电流等参数计算得出。在此示例中，相位1提供1.4 A负载电流，而相位2提供2.6 A负载电流。

设计和仿真工具

为了进一步简化用户的设计工作，LTM4712得到了LTpowerCAD^®具和LTspice^®软件的支持：前者用于优化电源元件、效率、环路补偿和负载瞬态，后者用于执行时域动态仿真。

结论

LTM4712是一款性能突出的全集成式降压-升压型µModule稳压器，以出色的效率、高功率密度和良好的热性能著称。它在并联配置中表现出良好的均流能力，多个器件可以轻松并联以支持更高功率的应用。该器件可以灵活配置为恒定电流输出，因此非常适合电池充电系统或LED应用。此外，它还支持冗余输入，从而进一步提高了其适应性。

若要全面了解如何正确使用该器件，建议参考数据手册和相关的评估套件设计。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。