摘要
許多電源轉換應用需要支援寬輸入或輸出電壓範圍。Analog Devices 針對此類應用提供了一款高電流、高效率、全整合的四開關升降壓電源模組。此元件在先進的 3D 封裝內集成了控制器、MOSFET、功率電感和電容器，實現了緊湊的設計與強健的效能。這款 µModule® 穩壓器在寬廣的輸入和輸出電壓範圍內，提供了高功率密度、優異的效率以及卓越的熱特性。本文進一步強調了其多功能性，展示其在多種拓樸結構中運作的能力，包括降壓（Step-down）、升壓（Step-up）以及用於負電壓輸出應用的反相升降壓（Inverting buck-boost）配置。
將四開關升降壓拓樸作為降壓（Step-Down）穩壓器使用
ADI 已經推出了多款 40 V 降壓 µModule 穩壓器。圖 1 標示了現有可支援超過 4 A 最大負載電流的穩壓器。然而，這些降壓穩壓器的電壓和電流範圍有限。藉由採用新發佈的四開關升降壓 µModule 穩壓器 LTM4712 作為降壓轉換器，可以顯著擴展工作範圍，簡化客戶的系統設計。
圖1. 40 VIN (>4 A) 降壓 µModule 穩壓器.
四開關升降壓轉換器可以毫不費力地配置為降壓轉換器，無需任何特殊調整。當 VIN > VOUT 時，內部控制器使功率場效應管 M3 保持關斷，而 M4 持續導通。M1 和 M2 負責調節輸出，其運作方式如同標準的降壓轉換器，如圖 2 所示。與先前的降壓穩壓器 LTM4613 相比，儘管 M4 引入了額外的導通損耗，但新元件仍實現了更優異的電源效率（如圖 3 所示）。這一改進歸功於 MOSFET 和電感技術的進步。
表 1 顯示了在無強制冷卻條件下的熱性能對比，強調了升降壓轉換器的效率優勢。儘管提供的功率明顯高於降壓穩壓器，但在相似的封裝尺寸（Footprint）下，新元件的運作溫度更低。
圖2. 用作降壓調節器。
圖3. 降壓模式效率和當前能力比較：（a）5 VOUT效率和（b）12 VOUT效率。
表1. 降壓模式熱效能比較，TA = 25°C，無強制冷卻
將四開關升降壓作為升壓（Step-Up）穩壓器使用
如圖 4 所示，ADI 先前已發佈一款 40 V 升壓 µModule 穩壓器。雖然 LTM4656 支援 4 A 的最大電流，但新發佈的四開關升降壓轉換器在作為升壓穩壓器運作時，可以處理更高的負載電流。
圖4. ADI 40V 升壓穩壓器產品
當四開關升降壓轉換器應用於 VIN < VOUT 的情境時，內部開關 M1 保持導通，而 M2 保持關斷。M3 和 M4 自然地調節輸出，如典型的升壓轉換器（如圖 5 所示）。與缺乏輸出短路保護的標準升壓轉換器不同，四開關升降壓具備固有的短路保護功能。如果輸出對地短路，M1 和 M2 開始像降壓轉換器一樣進行切換，限制從輸入到輸出的電流。最大短路電流受限於放置在輸入或輸出路徑中的 RSENSE 電阻，或者是電感峰值電流限制（取兩者中較低者）。此外，在初始 VIN 快速上升階段，傳統升壓轉換器通常會產生不受控的高湧浪電流（Inrush current）通過升壓二極體對 COUT 充電。由於四開關升降壓在 VOUT 較低時始終以降壓模式啟動，其輸入湧浪電流受到電感電流軟啟動（Soft start）的嚴格控制與限制。總之，四開關升降壓提供了比傳統升壓穩壓器更可靠的升壓轉換方案。
圖5. 作為具備固有輸出短路保護功能的升壓穩壓器使用。
圖 6 和表 2 比較了四開關升降壓 µModule 穩壓器與升壓 µModule 穩壓器之間的效率、功率能力和熱性能。前者展現了更優越的效率、擴展的電流處理能力以及顯著改善的熱特性。兩款穩壓器皆採用相同的 16 mm × 16 mm 封裝。
圖6. 升壓模式效率與電流能力比較：(a) 24 VOUT 效率以及 (b) 36 VOUT 效率。
表2. 升壓模式熱效能比較，TA =25°C，無強制冷卻。
將四開關升降壓作為負輸出電壓的反相升降壓穩壓器使用
與標準降壓轉換器類似，四開關升降壓也可以配置為反相升降壓拓樸，用於負輸出應用。如圖 7 所示，M1 和M2 互補切換，在此運行期間 M3 關斷且 M4 導通。請注意，最大電壓 VMAX = |VIN| + |VOUT| 必須小於 40 V（該元件的最大額定電壓）。通過電感的直流電流大小 IL 由 IL = IOUT / (1 - D) 給出，其中 D 是具有 M1 和M2 的相位臂（Phase leg）之佔空比（Duty cycle），且 M1 是主開關。
圖7. 配置為反相升降壓穩壓器。.
圖 8 顯示了反相配置的範例電路，設計用於 24 V 輸入和 –12 V 輸出，能夠提供高達 10 A 的負載電流。圖 9 展示了從基準測試（Bench testing）中獲得的效率曲線。
圖8. 反相配置範例電路。
圖9. -12Vout的基準測試效率曲線。
在反相升降壓轉換器中，輸出電壓在啟動期間可能會略微上升至零電壓以上。當將四開關升降壓穩壓器配置為反相模式時，也會觀察到相同的現象。
圖 10 說明了啟動期間輸出電壓反向的機制。當輸入電源開啟，但在所有四個 MOSFET 開始切換之前，輸入電流開始通過兩個路徑對輸出電容進行反向充電：經由跨接在 M1 和 M2 上的 CIN 解耦電容，以及通過 INTVCC 電容路徑。如果 CIN 或 CINTVcc 顯著大於 COUT，則更可能出現較高的反向輸出電壓。
然而，如圖 11 所示，µModule 穩壓器內部存在一個固有的鉗位（Clamping）電路。VSD3 和 VSD4 分別代表M3 和 M4 的源極對汲極電壓。當 –VOUT > VSD3 + VSD4 時，M3 和 M4 的體二極體（Body diodes）導通，接管充電電流。這兩個體二極體構成了一個自然的鉗位電路。換句話說，最大反向輸出電壓為 VSD3 + VSD4。
圖 12 顯示了啟動期間基準測試的反向輸出電壓波形。在圖 12a 中，相對於 COUT (330 µF)，電路中的 CIN (50 µF) 較小，反向 -VOUT 的幅度約為 +0.75 V。當將 CIN 增加到 350 µF 時，如圖 12b 所示，觀察到更高的反向–VOUT 為 +1.5 V。
可以調整 CIN 與 COUT 的比例，以最小化正輸出電壓。在達到內部鉗位電壓 VSD3 + VSD4 之前，較小的比例會導致較低的正輸出電壓。此外，可以在輸出端添加一個外部低順向壓降的鉗位蕭特基二極體（Schottky diode），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向路徑。
圖11. 四開關升降壓架構中的固有鉗位電路。
圖12. 啟動期間的反向 −VOUT 波形：(a) 相對於 COUT (330 μF)，CIN (50 μF) 相對較小；以及 (b) 相對於 COUT(330 μF)，CIN (350 μF) 相對較大。
結論
四開關升降壓穩壓器可以自然地用作降壓或升壓穩壓器，無需任何特殊配置。基準測試已證實，與其他現有的降壓或升壓 µModule 穩壓器相比，新發佈的升降壓 µModule 提供了最高效率、最佳熱性能和擴展的電流能力。此外，這款四開關升降壓可以輕鬆配置為反相升降壓穩壓器，適用於需要負輸出的應用。基準測試也確認了其高效率。本文討論了啟動期間暫時性反向輸出電壓行為的機制，並提供了設計指南與解決方案。
欲獲得實施新發佈的四開關升降壓 µModule 穩壓器的全面指引，建議參考產品規格書（Data sheet）和相關評估板（Evaluation kit）設計。該元件亦受到 LTpowerCAD® 設計工具和 LTspice® 模擬工具的支援。這些資源為優化各種應用中的效能提供了寶貴的見解和基本規範。
