大電流、高性能降壓-升壓穩(wěn)壓器

2025-01-22 10:02:13 EETOP

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許多應(yīng)用都需要寬輸入和/或輸出電壓范圍，例如電池供電系統(tǒng)。在輸入電壓可能低于或高于輸出電壓的情況下，電源需要調(diào)節(jié)其輸出電壓。只要不需要接地隔離，四開關(guān)降壓-升壓拓撲結(jié)構(gòu)就能為此類應(yīng)用提供超高的效率和功率密度。此外，降壓-升壓穩(wěn)壓器非常靈活，可用作單純的降壓電源或升壓（帶短路保護）電源。

ADI公司的μModule部門開發(fā)了多款降壓-升壓穩(wěn)壓器。其中，LTM8045、LTM8049、LTM8083和LTM4693適用于低電流應(yīng)用。而LTM4607系列、LTM8055系列以及新發(fā)布的LTM4712降壓-升壓模塊支持大電流應(yīng)用（高達12 A）。LTM4607/LTM4605/LTM4609系列內(nèi)部集成了控制器和MOSFET，但需要在PCB上連接外部功率電感和檢測電阻(R_SENSE)，以構(gòu)成完整的電源解決方案，如圖1所示。而LTM8054、LTM8055和LTM8056則將功率電感和R_SENSE集成到μModule封裝中，從而簡化了客戶的設(shè)計和布局工作，如圖2所示。與LTM4607系列相比，LTM8055系列提供了更小尺寸的解決方案，但其輸出電流受限于小尺寸集成電感，因此熱性能和效率方面存在一定局限性。

2023年，ADI發(fā)布了新款大電流、四開關(guān)降壓-升壓穩(wěn)壓器LTM4712。這是一款36 V_IN（最大值）、12 A功率模塊，采用高密度16 mm × 16 mm × 8.34 mm BGA封裝。它采用ADI專有的先進組件封裝技術(shù)，將高性能功率電感集成到封裝中。圖3顯示了該模塊中集成的專有電流檢測方案。這不僅節(jié)省了空間，而且還有效減少了額外的功率損耗。該器件采用先進的降壓-升壓控制器和高級ADI封裝，能夠在寬輸入輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)超高的功率水平、功率密度、效率和出色的熱性能。

LTM4712具有快速逐周期電流模式控制功能，有助于實現(xiàn)可靠的保護和平穩(wěn)的模式轉(zhuǎn)換。當采用并聯(lián)配置以支持更高電流的應(yīng)用時，它有助于實現(xiàn)出色的均流功能。此外，這款新器件支持可選的恒定輸出電流模式，可用于電池充電應(yīng)用，同時還允許冗余輸入，從而增強其作為冗余電源的通用性。

圖1：LTM4607功率級原理圖

圖2：LTM8055典型應(yīng)用電路

圖3.LTM4712典型應(yīng)用電路

效率提升和熱性能改善

圖4比較了LTM4607、LTM8055和LTM4712在6 V V_IN、12 V V_IN、24 V V_IN及12 V V_OUT條件下的效率。評估使用了可在線訂購的標準評估板。根據(jù)測試結(jié)果，LTM4712在效率方面明顯優(yōu)于其他兩款產(chǎn)品，并且電流能力更強。

在12 V V_IN和12 V V_OUT條件下，與LTM8055相比，LTM4712在功率翻倍的同時溫度低了30°C。對于需要12 A電流的應(yīng)用，如果使用LTM8055，則根據(jù)散熱系統(tǒng)的不同，可能需要并聯(lián)兩到三個該器件。然而，如果使用LTM4712，那么一個器件就足夠了，PCB占用空間大大減少，電路設(shè)計也更簡單。

圖4：LTM4712、LTM4607和LTM8055之間的效率比較

并聯(lián)配置下實現(xiàn)良好的均流

LTM4712支持并聯(lián)配置，通過簡單的設(shè)置即可實現(xiàn)更高的輸出功率。得益于電流模式控制，它具備出色的均流性能。EVAL-LTM4712-A2Z評估套件展示了四個模塊并聯(lián)運行的情況，能提供48 A的總輸出電流。

當利用該器件實現(xiàn)并聯(lián)配置時，必須參考評估板的設(shè)計和配置。為了實現(xiàn)有效均流，并聯(lián)模塊時需要連接COMP引腳和FB引腳。PHMODE引腳可用于配置相移。在四個模塊并聯(lián)的情況下，PHMODE引腳連接至INTV_CC可以產(chǎn)生90°相移，從而實現(xiàn)出色的交錯效果。此外，為了實現(xiàn)頻率同步，應(yīng)將第一個模塊的CLOCKOUT信號連接到第二個模塊的SYNC引腳。

可選恒流調(diào)節(jié)

LTM4712可用作恒定輸出電流源，因此適用于電池充電器或LED驅(qū)動器等應(yīng)用。負載電流通過ISET引腳和輸出端附近的外部輸出電流檢測電阻來設(shè)置。公式V_SENSE = I_OUT × R_{SENSE_IOUT}定義了代表平均輸出電流的電壓。最大V_SENSE由ISET引腳上的電壓決定，范圍為0.2 V至1.2 V，線性對應(yīng)0 mV至50 mV。ISET引腳電壓V_ISET由一個15 μA內(nèi)部電流源和一個連接在ISET引腳與地之間的電阻R_ISET決定，表示為V_ISET = 15 μA × R_ISET。因此，輸出電流計算公式為：I_OUT = (V_ISET - 0.2 V)/(20 × R_{SENSE_IOUT})。

需要注意的是，當ISET引腳浮空時，或當ISET引腳電壓超過1.2 V時，內(nèi)部電路會將最大V_SENSE限制為50 mV。由于輸出中存在紋波電流，必須在ISP和ISN引腳上使用RC濾波器，以實現(xiàn)準確的平均電流檢測。此外，在選擇FB引腳和地之間的反饋電阻時，應(yīng)確保其產(chǎn)生的輸出電壓高于目標V_OUT。

冗余電源

LTM4712支持需要冗余輸入的應(yīng)用。它可用于需要備用電源的系統(tǒng)，或是那些從不同輸入源獲取電源以支持公共負載的系統(tǒng)。圖5顯示了一個示例電路，其中的兩個模塊由不同輸入（V_IN1和V_IN2）供電，共同為24 A負載提供12 V輸出。值得注意的是，任一輸入電壓下降都不會影響輸出調(diào)節(jié)，而且通過連接COMP引腳，峰值電感均流作用始終有效。

圖6顯示了兩種不同條件下的工作臺測試波形。圖6a展示了相位1和相位2都在降壓-升壓模式下運行的情況。最初，相位1提供4 A負載電流，在相位2激活后，二者逐漸各自分擔一半的負載電流。IMON波形顯示，當兩個相位都在運行時，兩個相位平等分擔負載電流。

圖6b展示了相同負載條件但輸入不同的情況。這里，相位1以升壓模式運行，而相位2以降壓模式運行。由于COMP引腳連接在一起，兩個相位的峰值電感電流相同。因此，相位1（升壓）的輸出電流低于相位2（降壓）的輸出電流。每個相位提供的具體負載電流可以根據(jù)電感、開關(guān)頻率、V_IN、V_OUT和總負載電流等參數(shù)計算得出。在此示例中，相位1提供1.4 A負載電流，而相位2提供2.6 A負載電流。