本文介绍一款大电流、高效率、全整合式四开关降压-升压型电源模组可以满足电源转换应用，展示其在各种拓扑中的应用，包括降压拓扑、升压拓扑和适用於负输出应用的反相降压-升压配置。

许多电源转换应用都需要支援宽广输入或输出电压范围。ADI的一款大电流、高效率、全整合式四开关降压-升压型电源模组可以满足此类应用的需求。该款元件将控制器、MOSFET、功率电感和电容整合到先进的3D整合封装中，实现精巧的设计和稳固的性能。这款μModule稳压器支援非常宽广的输入和输出电压范围，拥有高功率密度、优越的效率和卓越的热性能。

四开关降压-升压拓扑用作降压型稳压器

ADI推出多款40 V降压型μModule稳压器。图一为重点展示最大负载电流在 4 A以上的几款现有稳压器，但这些降压型稳压器支援的电压和电流范围有限。采用四开关降压-升压型μModule稳压器LTM4712作为降压转换器，可以显着拓展工作范围，进而简化客户的系统设计。

图一 : 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V_IN > V_OUT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，如图二所示。

相较於之前的降压稳压器LTM4613，尽管M4引入额外的传导损耗，但新元件仍然实现更高的能效比，如图三所示。这一改进是MOSFET和电感技术进步的结果。

表一显示了无强制散热措施下的热性能比较，突显降压-升压转换器的效率优势。新元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。

图二 : 用於降压型稳压器

图三 : 降压模式效率和电流能力比较：(a) 5 VOUT效率，(b) 12 VOUT效率。

表一：降压模式热性能比较，TA = 25。C，无强制散热措施

工作条件	叁数	LTM4712	LTM4613
12 V<sub>IN</sub>/5 V<sub>OUT</sub>	最大I<sub>OUT</sub>	12 A	8 A
	I<sub>MAX</sub>时的效率	94.7%	93%
	I<sub>MAX</sub>时的温度	58°C	70°C
36 V<sub>IN</sub>/12 V<sub>OUT</sub>	最大I<sub>OUT</sub>	12 A	6 A
	I<sub>MAX</sub>时的效率	96.2%	93%
	I<sub>MAX</sub>时的温度	80°C	101°C

四开关降压-升压拓扑用作升压型稳压器

如图四所示，ADI一款40 V升压型μModule稳压器LTM4656支援最大4A电流，而新发表的四开关降压-升压转换器在用於升压调节器时，可以处理更高的负载电流。

图四 : ADI 40 V升压型稳压器系列

在V_IN < V_OUT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，如图五所示。

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R_SENSE电阻或峰值电感限流值（以较低者为准）的限制。

此外，在初始V_IN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体，对C_OUT充电。该款四开关降压-升压转换器在V_OUT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，相较於常规升压调节器，该款四开关降压-升压转换器可实现更可靠的升压转换器。

图五 : 用於升压调节器，具备固有的输出短路保护功能。

图六和表二比较该款四开关降压-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。第一款元件表现出高效率、更大的电流处理能力和明显更好的热性能。两款稳压器均为16 mm × 16 mm的尺寸。

图六 : 升压模式效率和电流能力比较：(a) 24 VOUT效率，(b) 36 VOUT效率。

表二：升压模式热性能比较，TA = 25。C，无强制散热措施

工作条件	叁数	LTM4712	LTM4656
12 V<sub>IN</sub>/24 V<sub>OUT</sub>	最大I<sub>OUT</sub>	6 A	4 A
	I<sub>MAX</sub>时的效率	96.9%	95.7%
	I<sub>MAX</sub>时的温度	69°C	81°C
12 V<sub>IN</sub>/36 V<sub>OUT</sub>	最大I<sub>OUT</sub>	4 A	2.5 A
	I<sub>MAX</sub>时的效率	96.1%	94.8%
	I<sub>MAX</sub>时的温度	84°C	89°C

 

四开关降压-升压拓扑用於反相降压-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，以用於负输出应用。如图七所示，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V_MAX = |V_IN|+|V_OUT|必须小於40 V，即该元件的最大额定电压。流过电感的直流电流IL的幅度计算公式为IL = I_OUT/(1-D)，其中D是包含M1和M2的相位臂的工作周期，M1是主开关。

图七 : 配置为反相降压-升压型稳压器

图八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，支援高达10 A的负载电流。图九显示从基准平台测试获得的效率曲线。

图八 : 反相配置的电路示例

图九 : 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V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。

图十展示启动期间输出电压反向的原理。在输入电源接通後，但在所有四个MOSFET开始切换之前，输入电流开始透过两条路径反向对输出电容充电：其一是透过跨接在M1和M2上的C_IN去耦电容，其二是透过INTV_CC电容路径。如果C_IN或C_INTVcc明显大於C_OUT，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，如图十一所示。V_SD3和V_SD4分别表示M3和M4的源漏电压。当-V_OUT> V_SD3 + V_SD4时，M3和M4的体二极体导通，接管充电电流。这两个体二极体形成一个自然箝位电路。换句话说，最大反向输出电压为V_SD3 + V_SD4。

图十二显示启动期间基准平台测试的反向输出电压波形。在图十二a中，反向-V_OUT的幅度约为+0.75 V，相较於C_OUT (330 μF)，电路中的C_IN (50 μF)有限。将C_IN增加至350 μF时，观察到反向-V_OUT升高至+1.5 V，如图十二b所示。

C_IN与C_OUT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，输出端可以增加一个外部低正向压降箝位萧特基二极体，以将正电压限制在所需水准，如图八所示。

图十 : 启动期间的充电电流流动路径

图十一 : 四开关降压-升压转换器中的自然箝位电路

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图十二 : 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於降压或升压型稳压器，无需任何特殊配置。基准测试并已验证，相较於现有其他降压或升压型μModule稳压器，新款降压-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。该款元件的效率也非常高，在基准测试中也已经得到了证实。

此外，该款元件受到LTpowerCAD设计工具和LTspice模拟工具的支援。相关资源提供宝贵的见解和技术规范，对於使用者在不同应用中优化性能非常重要。

（本文作者为ADI资深经理 Ling Jiang、资深工程师 Wesley Ballar、产品应用工程师 Anjan Panigrahy 以及 ADI院士 Henry Zhang）