四开关降压 - 升压型 μModule 稳压器：多拓扑应用的高效解决方案

出处：网络整理发布于：2025-07-21 16:32:19

在当今的电源转换领域，众多应用都对宽输入或输出电压范围有着迫切需求。ADI 公司推出的一款大电流、高效率、全集成式四降压 - 升压型电源模块，犹如一颗璀璨的新星，为满足此类应用需求提供了出色的解决方案。该器件将控制器、MOSFET、和电容巧妙集成到先进的 3D 集成封装中，不仅实现了紧凑的设计，还具备稳健的性能。这款 μModule? 支持极宽的输入和输出电压范围，拥有高功率密度、优越的效率和出色的热性能。接下来，我们将深入探讨该款器件的多功能性，展示其在各种拓扑中的精彩应用，包括降压拓扑、升压拓扑以及适用于负输出应用的反相降压 - 升压配置。

ADI 公司此前已推出多款 40 V 降压型 μModule 稳压器。如图 1 所示，重点展示了负载电流在 4 A 以上的几款现有稳压器，但这些降压型稳压器支持的电压和电流范围存在一定局限性。而新推出的四开关降压 - 升压型 μModule 稳压器 LTM4712 作为降压转换器，能够显著拓展工作范围，大大简化客户的系统设计。

图 1. 40 VIN (>4 A) 降压型 μModule 稳压器

该款四开关降压 - 升压转换器可以轻松配置为降压转换器，无需进行任何特殊调整。当 VIN > VOUT 时，内部控制器会让功率 FET M3 保持关断，而 M4 保持导通。M1 和 M2 会调节输出，如同标准降压转换器一样运行，如图 2 所示。与之前的降压稳压器 LTM4613 相比，尽管 M4 引入了额外的传导损耗，但新器件仍然实现了更高的能效比，如图 3 所示。这一显著改进得益于 MOSFET 和电感技术的不断进步。表 1 显示了无强制散热措施下的热性能比较，凸显了降压 - 升压转换器的效率优势。新器件提供的功率虽然比降压调节器高得多，但工作温度反而更低，而且尺寸相似。

图 2. 用作降压型稳压器

图 3. 降压模式效率和电流能力比较：(a) 5 VOUT 效率，(b) 12 VOUT 效率

在升压拓扑方面，如图 4 所示，ADI 公司之前已经发布了一款 40 V 升压型 μModule 稳压器。LTM4656 支持 4A 电流，而新发布的四开关降压 - 升压转换器在用作升压调节器时，可以处理更高的负载电流。

图 4. ADI 40 V 升压型稳压器系列

在 VIN < VOUT 的应用中使用该款四开关降压 - 升压转换器时，内部开关 M1 保持导通，而 M2 保持关断。M3 和 M4 会自然地调节输出，就像典型升压转换器一样，如图 5 所示。与缺乏输出短路保护的标准升压转换器不同，该款四开关降压 - 升压转换器具备固有的短路保护功能。如果输出短接到地，M1 和 M2 将像降压转换器一样切换，限制从输入流到输出的电流。短路电流受输入或输出路径中的 RSENSE 电阻或峰值电感限流值（以较低者为准）的限制。此外，在初始 VIN 快速上升阶段，常规升压转换器通常会有不受控制的高冲击电流通过升压，对 COUT 充电。而该款四开关降压 - 升压转换器在 VOUT 较低时始终以降压模式启动，因此其输入冲击电流受到电感电流软启动的严格控制和限制。通过图 6 和表 2 对该款四开关降压 - 升压型 μModule 稳压器与降压型 μModule 稳压器的效率、功率能力和热性能进行比较，可以发现款器件表现出优越的效率、更大的电流处理能力和明显更好的热性能。两款稳压器尺寸相同，均为 16 mm × 16 mm。

图 5. 用作升压调节器，具备固有的输出短路保护功能

图 6. 升压模式效率和电流能力比较：(a) 24 VOUT 效率，(b) 36 VOUT 效率

与标准降压转换器类似，该款四开关降压 - 升压转换器还可配置为反相降压 - 升压拓扑，以满足负输出应用的需求。如图 7 所示，M1 和 M2 以互补方式切换；在此操作期间，M3 关断，M4 导通。需要注意的是，电压 VMAX = |V IN |+|V OUT | 必须小于 40 V，即该器件的额定电压。流过电感的直流电流 IL 的幅度计算公式为 IL = I OUT /(1 - D)，其中 D 是包含 M1 和 M2 的相位臂的占空比，M1 是主开关。图 8 为反相配置的电路示例，该电路设计为 24 V 输入和 - 12 V 输出，支持高达 10 A 的负载电流。图 9 显示了从基准平台测试获得的效率曲线。在反相降压 - 升压转换器中，输出电压在启动期间可能会略微上升至零伏以上。当将该款四开关降压 - 升压型稳压器配置为反相模式时，也会观察到同样的现象。图 10 展示了启动期间输出电压反向的原理。在输入电源接通后，但在所有四个 MOSFET 开始切换之前，输入电流开始通过两条路径反向对输出电容充电：其一是通过跨接在 M1 和 M2 上的 CIN 去耦电容，其二是通过 INTVCC 电容路径。如果 CIN 或 CINTVcc 明显大于 C OUT ，则可能出现更高的反向输出电压。不过，μModule 稳压器内部存在固有的箝位电路，如图 11 所示。VSD 3 和 VSD4 分别表示 M3 和 M4 的源漏电压。当 - VOUT > VSD3 + VSD4 时，M3 和 M4 的体二极管导通，接管充电电流。这两个体二极管形成一个自然箝位电路。换句话说，反向输出电压为 VSD3 + V SD4 。图 12 显示了启动期间基准平台测试的反向输出电压波形。在图 12a 中，反向 - VOUT 的幅度约为 + 0.75 V，与 COUT (330 μF) 相比，电路中的 CIN (50 μF) 有限。将 CIN 增加至 350 μF 时，观察到反向 - VOUT 升高至 + 1.5 V，如图 12b 所示。通过调整 CIN 与 COUT 的比率，可以使正输出电压。在达到内部箝位电压 Vsd3 + Vsd4 之前，比率越小，正输出电压越低。此外，在输出端添加一个外部低正向压降箝位，能够将正电压限制在所需水平。