配置四開關降壓-升壓型μModule穩壓器來適應不同應用：升壓、降壓或反相輸出

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40V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 V_IN(>4A)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V_IN>V_OUT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 V_OUT效率，(b)12V_OUT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 40V升壓型穩壓器系列

在V_IN<V_OUT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R_SENSE電阻或峰值電感限流值（以較低者為準）的限制。此外，在初始V_IN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C_OUT充電。該款四開關降壓-升壓轉換器在V_OUT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 V_OUT效率，(b) 36 V_OUT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V_MAX = |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I_L的幅度計算公式為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 V_OUT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C_IN去耦電容，其二是通過INTV_CC電容路徑。如果C_IN或C_INTVcc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。V_SD3和V_SD4分別表示M3和M4的源漏電壓。當-V_OUT > V_SD3 + V_SD4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V_SD3 + 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-V_OUT的幅度約為+0.75 V，與C_OUT (330 μF)相比，電路中的C_IN (50 μF)有限。將C_IN增加至350 μF時，觀察到反向-V_OUT升高至+1.5 V，如圖12b所示。

C_IN與C_OUT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V_sd3 + V_sd4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-V_OUT波形：(a)與C_OUT (330 μF)相比，C_IN (50 μF)相對較小；(b)與C_OUT (330 μF)相比，C_IN (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。

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）。