许多电源转换应用都需要支持宽输入或输出电压范围。ADI公司的一款大电流、高效率、全集成式四开关降压-升压型电源模块可以满足此类应用的需求。该款器件将控制器、MOSFET、功率电感和电容集成到先进的3D集成封装中，实现了紧凑的设计和稳健的性能。这款µModule®稳压器支持非常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。本文重点介绍了该款器件的多功能性，展示了它在各种拓扑中的应用，包括降压拓扑、升压拓扑和适用于负输出应用的反相降压-升压配置。
四开关降压-升压拓扑用作降压型稳压器
ADI公司推出了多款40 V降压型µModule稳压器。图1重点展示了最大负载电流在 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有限。采用新推出的四开关降压-升压型µModule稳压器LTM4712作为降压转换器，可以显著拓展工作范围，从而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，就像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。这一改进是MOSFET和电感技术进步的结果。
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。
四开关降压-升压拓扑用作升压型稳压器
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支持最大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。最大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二极管，对COUT充电。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。总之，相比常规升压调节器，该款四开关降压-升压转换器可实现更可靠的升压转换器。
图5.用作升压调节器，具备固有的输出短路保护功能。
图6和表2比较了该款四开关降压-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。第一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6.升压模式效率和电流能力比较：(a) 24 VOUT效率，(b) 36 VOUT效率。
四开关降压-升压拓扑用作反相降压-升压型稳压器以提供负输出电压
与标准降压转换器类似，该款四开关降压-升压转换器也可配置为反相降压-升压拓扑，以用于负输出应用。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。请注意，最大电压VMAX = |VIN|+|VOUT|必须小于40 V，即该器件的最大额定电压。流过电感的直流电流IL的幅度计算公式为IL = IOUT/(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7.配置为反相降压-升压型稳压器。
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。
图8.反相配置的电路示例。
图9.基准平台测试的-12 VOUT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。将该款四开关降压-升压型稳压器配置为反相模式时，也观察到同样的行为。
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COUT，则可能出现更高的反向输出电压。
然而，µModule稳压器内部存在固有的箝位电路，如图11所示。VSD3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，最大反向输出电压为VSD3 + VSD4。
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。
CIN与COUT的比率可以调整，以使正输出电压最小。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，输出端可以添加一个外部低正向压降箝位肖特基二极管，以将正电压限制在所需水平，如图8所示。
图10.启动期间的充电电流流动路径。
图11.四开关降压-升压转换器中的自然箝位电路。
图12.启动期间的反向-VOUT波形：(a)与COUT (330 μF)相比，CIN (50 μF)相对较小；(b)与COUT (330 μF)相比，CIN (350 μF)相对较大。
结语
该款四开关降压-升压型稳压器可以直接用作降压或升压型稳压器，无需任何特殊配置。基准测试已验证，与现有其他降压或升压型µModule稳压器相比，新推出的降压-升压型µModule拥有更高的效率、更好的热性能和更强的电流处理能力。此外，该款四开关降压-升压转换器可以轻松配置为反相降压-升压型稳压器，以满足负输出应用的需要。该款器件的效率也非常高，在基准测试中得到了证实。此外，本文讨论了瞬时反向输出电压行为背后的机制，并提供了应对此类问题的设计指南和解决方案。
若要全面了解如何正确使用这款新推出的四开关降压-升压型μModule稳压器，建议参考数据手册和相关的评估套件设计。该款器件还受到LTpowerCAD®设计工具和LTspice®仿真工具的支持。这些资源提供了宝贵的见解和技术规范，对于用户在不同应用中优化性能至关重要。
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