【導(dǎo)讀】針對需支持寬輸入/輸出電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換場景，ADI推出全集成四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)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(shè)計(jì)、高功率密度與優(yōu)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?fù)鋺?yīng)用，滿足云計(jì)算、工業(yè)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(zhuǎn)換場景，ADI推出全集成四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)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(shè)計(jì)、高功率密度與優(yōu)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?fù)鋺?yīng)用，滿足云計(jì)算、工業(yè)控制等場景對寬電壓、高可靠電源的需求。
四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)溆米鹘祲盒头€(wěn)壓器
ADI公司推出了多款40 V降壓型μModule穩(wěn)壓器。圖1重點(diǎn)展示了最大負(fù)載電流在 4 A以上的幾款現(xiàn)有穩(wěn)壓器，但這些降壓型穩(wěn)壓器支持的電壓和電流范圍有限。采用新推出的四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器LTM4712作為降壓轉(zhuǎn)換器，可以顯著拓展工作范圍，從而簡化客戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
圖1.40 VIN (>4 A)降壓型μModule穩(wěn)壓器。
該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可以輕松配置為降壓轉(zhuǎn)換器，無需任何特殊調(diào)整。當(dāng)VIN > VOUT時(shí)，內(nèi)部控制器會讓功率FET M3保持關(guān)斷，而M4保持導(dǎo)通。M1和M2會調(diào)節(jié)輸出，就像標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器一樣運(yùn)行，如圖2所示。與之前的降壓穩(wěn)壓器LTM4613相比，盡管M4引入了額外的傳導(dǎo)損耗，但新器件仍然實(shí)現(xiàn)了更高的能效比，如圖3所示。這一改進(jìn)是MOSFET和電感技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果。
表1顯示了無強(qiáng)制散熱措施下的熱性能比較，凸顯了降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的效率優(yōu)勢。新器件提供的功率雖然比降壓調(diào)節(jié)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(wěn)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(qiáng)制散熱措施
四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)溆米魃龎盒头€(wěn)壓器
如圖4所示，ADI公司之前已經(jīng)發(fā)布了一款40 V升壓型μModule穩(wěn)壓器。LTM4656支持最大4A電流，而新發(fā)布的四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器在用作升壓調(diào)節(jié)器時(shí)，可以處理更高的負(fù)載電流。
圖4.ADI 40 V升壓型穩(wěn)壓器系列。
在VIN < VOUT的應(yīng)用中使用該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器時(shí)，內(nèi)部開關(guān)M1保持導(dǎo)通，而M2保持關(guān)斷。M3和M4會自然地調(diào)節(jié)輸出，就像典型升壓轉(zhuǎn)換器一樣，如圖5所示。與缺乏輸出短路保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)升壓轉(zhuǎn)換器不同，該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器具備固有的短路保護(hù)功能。如果輸出短接到地，M1和M2將像降壓轉(zhuǎn)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(zhǔn)）的限制。此外，在初始VIN快速上升階段，常規(guī)升壓轉(zhuǎn)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(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器在VOUT較低時(shí)始終以降壓模式啟動(dòng)，因此其輸入沖擊電流受到電感電流軟啟動(dòng)的嚴(yán)格控制和限制。總之，相比常規(guī)升壓調(diào)節(jié)器，該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)更可靠的升壓轉(zhuǎn)換器。
圖5.用作升壓調(diào)節(jié)器，具備固有的輸出短路保護(hù)功能。
圖6和表2比較了該款四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器與降壓型μModule穩(wěn)壓器的效率、功率能力和熱性能。第一款器件表現(xiàn)出優(yōu)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(wěn)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(qiáng)制散熱措施
四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)溆米鞣聪嘟祲?升壓型穩(wěn)壓器以提供負(fù)輸出電壓
與標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器類似，該款四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器也可配置為反相降壓-升壓拓?fù)洌杂糜谪?fù)輸出應(yīng)用。如圖7所示，M1和M2以互補(bǔ)方式切換；在此操作期間，M3關(guān)斷，M4導(dǎo)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(jì)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(guān)。
圖7.配置為反相降壓-升壓型穩(wěn)壓器。
圖8為反相配置的電路示例，該電路設(shè)計(jì)為24 V輸入和-12 V輸出，支持高達(dá)10 A的負(fù)載電流。圖9顯示了從基準(zhǔn)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(zhǔn)平臺測試的-12 VOUT效率曲線。
在反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓在啟動(dòng)期間可能會略微上升至零伏以上。將該款四開關(guān)降壓-升壓型穩(wěn)壓器配置為反相模式時(shí)，也觀察到同樣的行為。
圖10展示了啟動(dòng)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(gè)MOSFET開始切換之前，輸入電流開始通過兩條路徑反向?qū)敵鲭娙莩潆姡浩湟皇峭ㄟ^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(xiàn)更高的反向輸出電壓。
然而，μModule穩(wěn)壓器內(nèi)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(dāng)-VOUT > VSD3 + VSD4時(shí)，M3和M4的體二極管導(dǎo)通，接管充電電流。這兩個(gè)體二極管形成一個(gè)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(dòng)期間基準(zhǔn)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(shí)，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(diào)整，以使正輸出電壓最小。在達(dá)到內(nèi)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(gè)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(dòng)期間的充電電流流動(dòng)路徑。
圖11.四開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中的自然箝位電路。
圖12.啟動(dòng)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(jié)語
該四開關(guān)降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器無需特殊配置即可直接作為降壓或升壓穩(wěn)壓器使用，基準(zhǔn)測試顯示其在效率、熱性能及電流處理能力上均優(yōu)于同類產(chǎn)品；同時(shí)支持反相輸出配置，滿足負(fù)電壓應(yīng)用需求。針對瞬時(shí)反向電壓等場景，文中提供了設(shè)計(jì)指南。使用時(shí)建議結(jié)合數(shù)據(jù)手冊、評估套件及LTpowerCAD、LTspice工具優(yōu)化性能，確保不同應(yīng)用下的穩(wěn)定輸出。
參考文獻(xiàn)
Ling Jiang、Wesley Ballar、Anjan Panigrahy、Henry Zhang，“μModule Regulator Achieves Highest Power Efficiency”，Electronic Products，2024年10月。
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