摘要

許多電源轉換應用都需要支持寬輸入或輸出電壓范圍。ADI公司的一款大電流、高效率、全集成式四開關降壓-升壓型電源模塊可以滿足此類應用的需求。該款器件將控制器、MOSFET、功率電感和電容集成到先進的3D集成封裝中，實現了緊湊的設計和穩健的性能。這款μModule?穩壓器支持非常寬的輸入和輸出電壓范圍，擁有高功率密度、優越的效率和出色的熱性能。本文重點介紹了該款器件的多功能性，展示了它在各種拓撲中的應用，包括降壓拓撲、升壓拓撲和適用于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公司推出了多款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持的電壓和電流范圍有限。采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，可以顯著拓展工作范圍，從而簡化客戶的系統設計。

圖1.40 VIN (>4 A)降壓型μModule穩壓器。

該款四開關降壓-升壓轉換器可以輕松配置為降壓轉換器，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。與之前的降壓穩壓器LTM4613相比，盡管M4引入了額外的傳導損耗，但新器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，凸顯了降壓-升壓轉換器的效率優勢。新器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

圖2.用作降壓型穩壓器。

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，無強制散熱措施

四開關降壓-升壓拓撲用作升壓型穩壓器

如圖4所示，ADI公司之前已經發布了一款40 V升壓型μModule穩壓器。LTM4656支持最大4A電流，而新發布的四開關降壓-升壓轉換器在用作升壓調節器時，可以處理更高的負載電流。

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沖擊電流通過升壓二極管，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，因此其輸入沖擊電流受到電感電流軟啟動的嚴格控制和限制。總之，相比常規升壓調節器，該款四開關降壓-升壓轉換器可實現更可靠的升壓轉換器。

圖5.用作升壓調節器，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。第一款器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。

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

四開關降壓-升壓拓撲用作反相降壓-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，以用于負輸出應用。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 = |V IN |+|V OUT |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的幅度計算公式為IL = I OUT /(1-D)，其中D是包含M1和M2的相位臂的占空比，M1是主開關。

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，支持高達10 A的負載電流。圖9顯示了從基準平臺測試獲得的效率曲線。

圖8.反相配置的電路示例。

圖9.基準平臺測試的-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伏以上。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。在輸入電源接通后，但在所有四個MOSFET開始切換之前，輸入電流開始通過兩條路徑反向對輸出電容充電：其一是通過跨接在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C OUT ，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的體二極管導通，接管充電電流。這兩個體二極管形成一個自然箝位電路。換句話說，最大反向輸出電壓為VSD3 + V SD4 。

圖12顯示了啟動期間基準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，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，輸出端可以添加一個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.啟動期間的充電電流流動路徑。

圖11.四開關降壓-升壓轉換器中的自然箝位電路。

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作降壓或升壓型穩壓器，無需任何特殊配置。基準測試已驗證，與現有其他降壓或升壓型μModule穩壓器相比，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-升壓轉換器可以輕松配置為反相降壓-升壓型穩壓器，以滿足負輸出應用的需要。該款器件的效率也非常高，在基準測試中得到了證實。此外，本文討論了瞬時反向輸出電壓行為背后的機制，并提供了應對此類問題的設計指南和解決方案。

若要全面了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，建議參考數據手冊和相關的評估套件設計。該款器件還受到LTpowerCAD^?^設計工具和LTspice^?^仿真工具的支持。這些資源提供了寶貴的見解和技術規范，對于用戶在不同應用中優化性能至關重要。

參考文獻

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

關于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI）是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。

作者簡介

Ling Jiang于2018年畢業于田納西大學諾克斯維爾分校，獲電氣工程博士學位。畢業后，她加入了ADI公司電源產品部，工作地點位于美國加利福尼亞灣區。她目前是一名應用經理，負責支持針對多市場應用的μModule ^?^ 產品。

Wesley Ballar是多市場應用部門的高級產品應用工程師，主要負責μModule ^?^ 產品支持工作。自2016年加入ADI公司以來，他在不同崗位上為μModule團隊提供支持。Wesley于2015年畢業于加州州立理工大學，獲電氣工程學士學位。

Anjan Panigrahy于2023年畢業于德克薩斯大學奧斯汀分校，獲電氣與計算機工程學位，主修電力電子學。他現擔任ADI公司多市場應用部門的產品應用工程師，從事μModule ^?^ 穩壓器支持工作。

Henry Zhang是ADI公司院士。他于1994年獲得中國浙江大學頒發的電子工程學士學位，分別于1998年和2001年獲得弗吉尼亞理工學院暨州立大學（黑堡）頒發的電子工程碩士學位和博士學位。他于2001年加入凌力爾特（現在已成為ADI的一部分）。

作者：Ling Jiang，高級經理

Wesley Ballar，高級工程師

Anjan Panigrahy，產品應用工程師

Henry Zhang，ADI公司**院士