在當今的電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，眾多應用都對寬輸入或輸出電壓范圍有著迫切需求。ADI 公司推出的一款大電流、高效率、全集成式四開關(guān)降壓 - 升壓型電源模塊，猶如一顆璀璨的新星，為滿足此類應用需求提供了出色的解決方案。該器件將控制器、MOSFET、功率電感和電容巧妙集成到先進的 3D 集成封裝中，不僅實現(xiàn)了緊湊的設(shè)計，還具備穩(wěn)健的性能。這款 μModule? 穩(wěn)壓器支持極寬的輸入和輸出電壓范圍，擁有高功率密度、優(yōu)越的效率和出色的熱性能。接下來，我們將深入探討該款器件的多功能性，展示其在各種拓撲中的精彩應用，包括降壓拓撲、升壓拓撲以及適用于負輸出應用的反相降壓 - 升壓配置。

ADI 公司此前已推出多款 40 V 降壓型 μModule 穩(wěn)壓器。如圖 1 所示，重點展示了負載電流在 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存在一定局限性。而新推出的四開關(guān)降壓 - 升壓型 μModule 穩(wěn)壓器 LTM4712 作為降壓轉(zhuǎn)換器，能夠顯著拓展工作范圍，大大簡化客戶的系統(tǒng)設(shè)計。

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，無需進行任何特殊調(diào)整。當 VIN > VOUT 時，內(nèi)部控制器會讓功率 FET M3 保持關(guān)斷，而 M4 保持導通。M1 和 M2 會調(diào)節(jié)輸出，如同標準降壓轉(zhuǎn)換器一樣運行，如圖 2 所示。與之前的降壓穩(wěn)壓器 LTM4613 相比，盡管 M4 引入了額外的傳導損耗，但新器件仍然實現(xiàn)了更高的能效比，如圖 3 所示。這一顯著改進得益于 MOSFET 和電感技術(shù)的不斷進步。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(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

在升壓拓撲方面，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 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，可以處理更高的負載電流。

圖 4. ADI 40 V 升壓型穩(wěn)壓器系列

在 VIN < VOUT 的應用中使用該款四開關(guān)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器時，內(nèi)部開關(guān) M1 保持導通，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的標準升壓轉(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。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(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。而該款四開關(guān)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)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。通過圖 6 和表 2 對該款四開關(guān)降壓 - 升壓型 μModule 穩(wěn)壓器與降壓型 μModule 穩(wěn)壓器的效率、功率能力和熱性能進行比較，可以發(fā)現(xiàn)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 5. 用作升壓調(diào)節(jié)器，具備固有的輸出短路保護功能

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

與標準降壓轉(zhuǎn)換器類似，該款四開關(guān)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器還可配置為反相降壓 - 升壓拓撲，以滿足負輸出應用的需求。如圖 7 所示，M1 和 M2 以互補方式切換；在此操作期間，M3 關(guān)斷，M4 導通。需要注意的是，電壓 VMAX = |V IN |+|V OUT | 必須小于 40 V，即該器件的額定電壓。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(guān)。圖 8 為反相配置的電路示例，該電路設(shè)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。在反相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓在啟動期間可能會略微上升至零伏以上。當將該款四開關(guān)降壓 - 升壓型穩(wěn)壓器配置為反相模式時，也會觀察到同樣的現(xiàn)象。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?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 C OUT ，則可能出現(xiàn)更高的反向輸出電壓。不過，μModule 穩(wěn)壓器內(nèi)部存在固有的箝位電路，如圖 11 所示。VSD 3 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，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。通過調(diào)整 CIN 與 COUT 的比率，可以使正輸出電壓。在達到內(nèi)部箝位電壓 Vsd3 + Vsd4 之前，比率越小，正輸出電壓越低。此外，在輸出端添加一個外部低正向壓降箝位肖特基二極管，能夠?qū)⒄妷合拗圃谒杷健?br class="container_fd70d wrapper_80cf2 undefined" style="--tw-border-spacing-x: 0; --tw-border-spacing-y: 0; --tw-translate-x: 0; --tw-translate-y: 0; --tw-rotate: 0; --tw-skew-x: 0; --tw-skew-y: 0; --tw-scale-x: 1; --tw-scale-y: 1; --tw-pan-x: ; --tw-pan-y: ; --tw-pinch-zoom: ; --tw-scroll-snap-strictness: proximity; --tw-gradient-from-position: ; --tw-gradient-via-position: ; --tw-gradient-to-position: ; --tw-ordinal: ; --tw-slashed-zero: ; --tw-numeric-figure: ; --tw-numeric-spacing: ; --tw-numeric-fraction: ; --tw-ring-inset: ; --tw-ring-offset-width: 0px; --tw-ring-offset-color: #fff; --tw-ring-color: rgba(59,130,246,.5); --tw-ring-offset-shadow: 0 0 #0000; --tw-ring-shadow: 0 0 #0000; --tw-shadow: 0 0 #0000; --tw-shadow-colored: 0 0 #0000; --tw-blur: ; --tw-brightness: ; --tw-contrast: ; --tw-grayscale: ; --tw-hue-rotate: ; --tw-invert: ; --tw-saturate: ; --tw-sepia: ; --tw-drop-shadow: ; --tw-backdrop-blur: ; --tw-backdrop-brightness: ; --tw-backdrop-contrast: ; --tw-backdrop-grayscale: ; --tw-backdrop-hue-rotate: ; --tw-backdrop-invert: ; --tw-backdrop-opacity: ; --tw-backdrop-saturate: ; --tw-backdrop-sepia: ; -webkit-font-smoothing: antialiased; box-sizing: border-box;">

圖 7. 配置為反相降壓 - 升壓型穩(wěn)壓器

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

圖 10. 啟動期間的充電電流流動路徑

圖 11. 四開關(guān)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器中的自然箝位電路

圖 12. 啟動期間的反向 - VOUT 波形：(a) 與 COUT (330 μF) 相比，CIN (50 μF) 相對較??；(b) 與 COUT (330 μF) 相比，CIN (350 μF) 相對較大