新器件如何相比上一代大电流降压-升压型µModule稳压器实现更高的能效比和更好的热性能。
作者：Ling Jiang、Wesley Ballar、Anjan Panigrahy和Henry Zhang，ADI公司
许多应用都需要宽输入和/或输出电压范围，例如电池供电系统。在输入电压可能低于或高于输出电压的情况下，电源需要调节其输出电压。只要不需要接地隔离，四开关降压-升压拓扑结构就能为此类应用提供超高的效率和功率密度。此外，降压-升压稳压器非常灵活，可用作单纯的降压电源或升压（带短路保护）电源。
ADI公司的µModule部门开发了多款降压-升压稳压器。其中，LTM8045、LTM8049、LTM8083和LTM4693适用于低电流应用。而LTM4607系列、LTM8055系列以及新发布的LTM4712降压-升压模块支持大电流应用（高达12 A）。LTM4607/LTM4605/LTM4609系列内部集成了控制器和MOSFET，但需要在PCB上连接外部功率电感和检测电阻(RSENSE)，以构成完整的电源解决方案，如图1所示。而LTM8054、LTM8055和LTM8056则将功率电感和RSENSE集成到µModule封装中，从而简化了客户的设计和布局工作，如图2所示。与LTM4607系列相比，LTM8055系列提供了更小尺寸的解决方案，但其输出电流受限于小尺寸集成电感，因此热性能和效率方面存在一定局限性。
2023年，ADI发布了新款大电流、四开关降压-升压稳压器LTM4712。这是一款36 VIN（最大值）、12 A功率模块，采用高密度16 mm × 16 mm × 8.34 mm BGA封装。它采用ADI专有的先进组件封装技术，将高性能功率电感集成到封装中。图3显示了该模块中集成的专有电流检测方案。这不仅节省了空间，而且还有效减少了额外的功率损耗。该器件采用先进的降压-升压控制器和高级ADI封装，能够在宽输入输出电压范围内实现超高的功率水平、功率密度、效率和出色的热性能。
LTM4712具有快速逐周期电流模式控制功能，有助于实现可靠的保护和平稳的模式转换。当采用并联配置以支持更高电流的应用时，它有助于实现出色的均流功能。此外，这款新器件支持可选的恒定输出电流模式，可用于电池充电应用，同时还允许冗余输入，从而增强其作为冗余电源的通用性。
图1：LTM4607功率级原理图
图2：LTM8055典型应用电路
图3.LTM4712典型应用电路
效率提升和热性能改善
图4比较了LTM4607、LTM8055和LTM4712在6 V VIN、12 V VIN、24 V VIN及12 V VOUT条件下的效率。评估使用了可在线订购的标准评估板。根据测试结果，LTM4712在效率方面明显优于其他两款产品，并且电流能力更强。
在12 V VIN和12 V VOUT条件下，与LTM8055相比，LTM4712在功率翻倍的同时温度低了30°C。对于需要12 A电流的应用，如果使用LTM8055，则根据散热系统的不同，可能需要并联两到三个该器件。然而，如果使用LTM4712，那么一个器件就足够了，PCB占用空间大大减少，电路设计也更简单。
图4：LTM4712、LTM4607和LTM8055之间的效率比较
并联配置下实现良好的均流
LTM4712支持并联配置，通过简单的设置即可实现更高的输出功率。得益于电流模式控制，它具备出色的均流性能。EVAL-LTM4712-A2Z评估套件展示了四个模块并联运行的情况，能提供48 A的总输出电流。
当利用该器件实现并联配置时，必须参考评估板的设计和配置。为了实现有效均流，并联模块时需要连接COMP引脚和FB引脚。PHMODE引脚可用于配置相移。在四个模块并联的情况下，PHMODE引脚连接至INTVCC可以产生90°相移，从而实现出色的交错效果。此外，为了实现频率同步，应将第一个模块的CLOCKOUT信号连接到第二个模块的SYNC引脚。
可选恒流调节
LTM4712可用作恒定输出电流源，因此适用于电池充电器或LED驱动器等应用。负载电流通过ISET引脚和输出端附近的外部输出电流检测电阻来设置。公式VSENSE = IOUT × RSENSE_IOUT定义了代表平均输出电流的电压。最大VSENSE由ISET引脚上的电压决定，范围为0.2 V至1.2 V，线性对应0 mV至50 mV。ISET引脚电压VISET由一个15 μA内部电流源和一个连接在ISET引脚与地之间的电阻RISET决定，表示为VISET = 15 μA × RISET。因此，输出电流计算公式为：IOUT = (VISET - 0.2 V)/(20 × RSENSE_IOUT)。
需要注意的是，当ISET引脚浮空时，或当ISET引脚电压超过1.2 V时，内部电路会将最大VSENSE限制为50 mV。由于输出中存在纹波电流，必须在ISP和ISN引脚上使用RC滤波器，以实现准确的平均电流检测。此外，在选择FB引脚和地之间的反馈电阻时，应确保其产生的输出电压高于目标VOUT。
冗余电源
LTM4712支持需要冗余输入的应用。它可用于需要备用电源的系统，或是那些从不同输入源获取电源以支持公共负载的系统。图5显示了一个示例电路，其中的两个模块由不同输入（VIN1和VIN2）供电，共同为24 A负载提供12 V输出。值得注意的是，任一输入电压下降都不会影响输出调节，而且通过连接COMP引脚，峰值电感均流作用始终有效。
图6显示了两种不同条件下的工作台测试波形。图6a展示了相位1和相位2都在降压-升压模式下运行的情况。最初，相位1提供4 A负载电流，在相位2激活后，二者逐渐各自分担一半的负载电流。IMON波形显示，当两个相位都在运行时，两个相位平等分担负载电流。
图6b展示了相同负载条件但输入不同的情况。这里，相位1以升压模式运行，而相位2以降压模式运行。由于COMP引脚连接在一起，两个相位的峰值电感电流相同。因此，相位1（升压）的输出电流低于相位2（降压）的输出电流。每个相位提供的具体负载电流可以根据电感、开关频率、VIN、VOUT和总负载电流等参数计算得出。在此示例中，相位1提供1.4 A负载电流，而相位2提供2.6 A负载电流。
图5：输入冗余应用电路
图6：输入冗余应用电路
结语
LTM4712不仅能轻松并联以支持更高功率的应用，而且在并联配置中，还表现出良好的均流能力。该器件可以灵活配置为恒定电流输出，因此非常适合电池充电系统或LED应用。此外，它还支持冗余输入，从而进一步提高了其适应性。
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