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本文介紹一款大電流、高效率、全整合式四開關降壓-升壓型電源模組可以滿足電源轉換應用，展示其在各種拓撲中的應用，包括降壓拓撲、升壓拓撲和適用於負輸出應用的反相降壓-升壓配置。

許多電源轉換應用都需要支援寬廣輸入或輸出電壓範圍。ADI的一款大電流、高效率、全整合式四開關降壓-升壓型電源模組可以滿足此類應用的需求。該款元件將控制器、MOSFET、功率電感和電容整合到先進的3D整合封裝中，實現(xiàn)精巧的設計和穩(wěn)固的性能。這款μModule穩(wěn)壓器支援非常寬廣的輸入和輸出電壓範圍，擁有高功率密度、優(yōu)越的效率和卓越的熱性能。

四開關降壓-升壓拓撲用作降壓型穩(wěn)壓器

ADI推出多款40 V降壓型μModule穩(wěn)壓器。圖一為重點展示最大負載電流在 4 A以上的幾款現(xiàn)有穩(wěn)壓器，但這些降壓型穩(wěn)壓器支援的電壓和電流範圍有限。採用四開關降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器LTM4712作為降壓轉換器，可以顯著拓展工作範圍，進而簡化客戶的系統(tǒng)設計。

圖一 : 40 VIN (>4 A)降壓型μModule穩(wěn)壓器

該款四開關降壓-升壓轉換器可以輕鬆配置為降壓轉換器，無需任何特殊調(diào)整。當V_IN > V_OUT時，內(nèi)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(diào)節(jié)輸出，就像標準降壓轉換器一樣運行，如圖二所示。

相較於之前的降壓穩(wěn)壓器LTM4613，儘管M4引入額外的傳導損耗，但新元件仍然實現(xiàn)更高的能效比，如圖三所示。這一改進是MOSFET和電感技術進步的結果。

表一顯示了無強制散熱措施下的熱性能比較，突顯降壓-升壓轉換器的效率優(yōu)勢。新元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。

圖二 : 用於降壓型穩(wěn)壓器

圖三 : 降壓模式效率和電流能力比較：(a) 5 VOUT效率，(b) 12 VOUT效率。

四開關降壓-升壓拓撲用作升壓型穩(wěn)壓器

如圖四所示，ADI一款40 V升壓型μModule穩(wěn)壓器LTM4656支援最大4A電流，而新發(fā)表的四開關降壓-升壓轉換器在用於升壓調(diào)節(jié)器時，可以處理更高的負載電流。

圖四 : ADI 40 V升壓型穩(wěn)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(nèi)部開關M1保持導通，而M2保持關斷。M3和M4會自然地調(diào)節(jié)輸出，就像典型升壓轉換器一樣，如圖五所示。

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(guī)升壓轉換器通常會有不受控制的高衝擊電流通過升壓二極體，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，因此其輸入衝擊電流受到電感電流軟啟動的嚴格控制和限制。總之，相較於常規(guī)升壓調(diào)節(jié)器，該款四開關降壓-升壓轉換器可實現(xiàn)更可靠的升壓轉換器。

圖五 : 用於升壓調(diào)節(jié)器，具備固有的輸出短路保護功能。

圖六和表二比較該款四開關降壓-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。第一款元件表現(xiàn)出高效率、更大的電流處理能力和明顯更好的熱性能。兩款穩(wěn)壓器均為16 mm × 16 mm的尺寸。

圖六 : 升壓模式效率和電流能力比較：(a) 24 VOUT效率，(b) 36 VOUT效率。

四開關降壓-升壓拓撲用於反相降壓-升壓型穩(wěn)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，以用於負輸出應用。如圖七所示，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|必須小於40 V，即該元件的最大額定電壓。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的相位臂的工作週期，M1是主開關。

圖七 : 配置為反相降壓-升壓型穩(wěn)壓器

圖八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，支援高達10 A的負載電流。圖九顯示從基準平臺測試獲得的效率曲線。

圖八 : 反相配置的電路示例

圖九 : 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V以上。將該款四開關降壓-升壓型穩(wěn)壓器配置為反相模式時，也觀察到同樣的行為。

圖十展示啟動期間輸出電壓反向的原理。在輸入電源接通後，但在所有四個MOSFET開始切換之前，輸入電流開始透過兩條路徑反向?qū)敵鲭娙莩潆姡浩湟皇峭高^跨接在M1和M2上的C_IN去耦電容，其二是透過INTV_CC電容路徑。如果C_IN或C_INTVcc明顯大於C_OUT，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，如圖十一所示。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的體二極體導通，接管充電電流。這兩個體二極體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。

圖十二顯示啟動期間基準平臺測試的反向輸出電壓波形。在圖十二a中，反向-V_OUT的幅度約為+0.75 V，相較於C_OUT (330 μF)，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，如圖十二b所示。

C_IN與C_OUT的比率可以調(diào)整，以使正輸出電壓最小。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，輸出端可以增加一個外部低正向壓降箝位蕭特基二極體，以將正電壓限制在所需水準，如圖八所示。

圖十 : 啟動期間的充電電流流動路徑

圖十一 : 四開關降壓-升壓轉換器中的自然箝位電路

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圖十二 : 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(wěn)壓器可以直接用於降壓或升壓型穩(wěn)壓器，無需任何特殊配置。基準測試並已驗證，相較於現(xiàn)有其他降壓或升壓型μModule穩(wěn)壓器，新款降壓-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-升壓轉換器可以輕鬆配置為反相降壓-升壓型穩(wěn)壓器，以滿足負輸出應用的需要。該款元件的效率也非常高，在基準測試中也已經(jīng)得到了證實。

此外，該款元件受到LTpowerCAD設計工具和LTspice模擬工具的支援。相關資源提供寶貴的見解和技術規(guī)範，對於使用者在不同應用中優(yōu)化性能非常重要。

（本文作者為ADI資深經(jīng)理 Ling Jiang、資深工程師 Wesley Ballar、產(chǎn)品應用工程師 Anjan Panigrahy 以及 ADI院士 Henry Zhang）