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作者：Ling Jiang，高級產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理 Wesley Ballar，高級產(chǎn)品應(yīng)用工程師 Anjan Panigrahy，產(chǎn)品應(yīng)用工程師 Henry Zhang，ADI公司研究員兼高級產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān) 摘要 本文介紹一種新型高性能升壓和降壓型μModule®穩(wěn)壓器。與上一代大電流降壓-升壓μModule穩(wěn)壓器相比，它實現(xiàn)了更高的能效比和更優(yōu)的熱性能。本文還介紹了其他一些重要特性，包括適用于更高功率應(yīng)用的并聯(lián)配置、可選的恒流調(diào)節(jié)功能，以及冗余輸入配置。 簡介 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?fù)浣Y(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(hù)）電源。 ADI公司的μModule部門開發(fā)了多款降壓-升壓穩(wěn)壓器。如圖1所示，LTM8045、LTM8049、LTM8083和LTM4693旨在滿足較低電流應(yīng)用的需求。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（最高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(RSENSE)，以構(gòu)成完整的電源解決方案，如圖2所示。 而LTM8054、LTM8055和LTM8056則將功率電感和RSENSE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3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 VIN（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(jìn)組件封裝技術(shù)，將高性能功率電感集成到封裝中。圖4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(jìn)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。 表1.LTM4712、LTM4605系列和LTM8055系列總結(jié)
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(hù)和平穩(wěn)的模式轉(zhuǎn)換。當(dāng)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。 表1全面比較了LTM4712、LTM4607系列和LTM8055系列模塊。LTM4712因其大電流、高能效比和用戶友好型設(shè)計脫穎而出，非常適合可接受8.34 mm高度的應(yīng)用。 
圖1.ADI四開關(guān)降壓-升壓系列
圖2.LTM4607功率級原理圖
圖3.LTM8055典型應(yīng)用電路
圖4.LTM4712典型應(yīng)用電路 LTM4712帶來顯著的效率提升和熱性能改善 圖5比較了LTM4607、LTM8055和最近推出的LTM4712在6 V VIN、12 V VIN、24 V VIN及12 V VOUT條件下的效率。評估使用了可在線訂購的標(biāo)準(zhǔn)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。 圖6顯示了室溫條件下無任何強制散熱措施時的熱性能比較。值得注意的是，在12 V VIN和12 V VOUT條件下，與LTM8055相比，LTM4712在功率翻倍的情況下溫度降低了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。 表2全面呈現(xiàn)了LTM4712、LTM4607和LTM8055在各種工作條件下的效率和熱性能，環(huán)境溫度為25°C，無強制散熱。圖7展示了電流密度與解決方案尺寸的關(guān)系。所有測試和比較均基于可在線訂購的標(biāo)準(zhǔn)演示板進(jìn)行。
圖5.LTM4712、LTM4607和LTM8055之間的效率比較
圖6.LTM4712、LTM4607和LTM8055之間的熱性能比較，TA = 25°C，無強制散熱 表2.效率和熱性能比較
圖7.LTM4712、LTM4607和LTM8055之間的電流密度比較 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，此時能提供48 A的總輸出電流。 當(dāng)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INTVCC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。 圖8展示了無強制散熱情況下的熱圖像，可以看到每個LTM4712的溫度相似，表明均流效果良好。圖9顯示了48 A負(fù)載條件下每個器件上的IMON電壓。每個IMON引腳的電壓平均值約為0.7 V，表明每個通道的負(fù)載為12 A。這些測試均在評估板上進(jìn)行。
圖8.4個LTM4712并聯(lián)，在36 VIN、12 VOUT、TA = 25°C下提供48 A電流，無外加氣流
圖9.48 A負(fù)載下每個LTM4712上的IMON電壓 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。圖10所示的示例電路設(shè)計用于提供穩(wěn)定的10 A負(fù)載電流。 負(fù)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VSENSE = IOUT × RSENSE_IOUT定義了代表平均輸出電流的電壓。最大VSENSE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VISET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RISET決定，表示為VISET = 15 μA × RISET。因此，輸出電流計算公式為：IOUT = (VISET - 0.2 V)/(20 × RSENSE_IOUT)。根據(jù)該公式，基于5 mΩ RSENSE_IOUT的輸出電流隨不同VISET的變化如圖11中的藍(lán)色曲線所示。圖11中的紫色曲線為工作臺測試結(jié)果。可以看到，測量結(jié)果與理想曲線高度吻合，表明恒流調(diào)節(jié)精度出色。 需要注意的是，當(dāng)ISET引腳浮空時，或當(dāng)ISET引腳電壓超過1.2 V時，內(nèi)部電路會將最大VSENSE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(zhǔn)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(biāo)VOUT。
圖10.10 A恒定負(fù)載電流的示例電路
圖11.基于5 mΩ RSENSE_IOUT，不同VISET下恒定輸出電流調(diào)節(jié)的工作臺測試 冗余電源 LTM4712適用于需要冗余輸入的應(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(fù)載的系統(tǒng)。圖12顯示了一個示例電路，其中的兩個模塊由不同輸入（VIN1和VIN2）供電，共同為24 A負(fù)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13顯示了兩種不同條件下的工作臺測試波形。圖13a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(fù)載電流，在相位2激活后，二者逐漸各自分擔(dān)一半的負(fù)載電流。IMON波形顯示，當(dāng)兩個相位都在運行時，兩個相位平等分擔(dān)負(fù)載電流。 圖13b展示了相同負(fù)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(fù)載電流可以根據(jù)電感、開關(guān)頻率、VIN、VOUT和總負(fù)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(fù)載電流，而相位2提供2.6 A負(fù)載電流。 設(shè)計和仿真工具 為了進(jìn)一步簡化用戶的設(shè)計工作，LTM4712得到了LTpowerCAD®工具和LTspice®軟件的支持：前者用于優(yōu)化電源元件、效率、環(huán)路補償和負(fù)載瞬態(tài)，后者用于執(zhí)行時域動態(tài)仿真。
圖12.輸入冗余應(yīng)用電路
圖13.輸入冗余應(yīng)用電路 結(jié)論 LTM4712是一款性能突出的全集成式降壓-升壓型μModule穩(wěn)壓器，以出色的效率、高功率密度和良好的熱性能著稱。它在并聯(lián)配置中表現(xiàn)出良好的均流能力，多個器件可以輕松并聯(lián)以支持更高功率的應(yīng)用。該器件可以靈活配置為恒定電流輸出，因此非常適合電池充電系統(tǒng)或LED應(yīng)用。此外，它還支持冗余輸入，從而進(jìn)一步提高了其適應(yīng)性。 若要全面了解如何正確使用該器件，建議參考數(shù)據(jù)手冊和相關(guān)的評估套件設(shè)計。這些資源提供了寶貴的見解和技術(shù)規(guī)范，對于用戶在不同應(yīng)用中優(yōu)化性能至關(guān)重要。 作者簡介 Ling Jiang于2018年畢業(yè)于田納西大學(xué)諾克斯維爾分校，獲電氣工程博士學(xué)位。畢業(yè)后，她加入了ADI公司電源產(chǎn)品部，工作地點位于美國加利福尼亞灣區(qū)。她目前是一名高級產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理，負(fù)責(zé)支持針對多市場應(yīng)用的μModule®產(chǎn)品。 Wesley Ballar是多市場應(yīng)用部門的高級產(chǎn)品應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)μModule®產(chǎn)品支持工作。自2016年加入ADI公司以來，他在不同崗位上為μModule團隊提供支持。Wesley于2015年畢業(yè)于加州州立理工大學(xué)，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。 Anjan Panigrahy于2023年畢業(yè)于德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，獲電氣與計算機工程學(xué)位，主修電力電子學(xué)。他現(xiàn)擔(dān)任ADI公司多市場應(yīng)用部門的產(chǎn)品應(yīng)用工程師，從事μModule®穩(wěn)壓器支持工作。 Henry Zhang是ADI公司技術(shù)研究員兼高級產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)。他于1994年獲得中國浙江大學(xué)頒發(fā)的電子工程學(xué)士學(xué)位，分別于1998年和2001年獲得弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué)（黑堡）頒發(fā)的電子工程碩士學(xué)位和博士學(xué)位。他于2001年加入凌力爾特（現(xiàn)在已成為ADI的一部分）。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
