优化大电流降压-升压 DC/DC 转换器效率

许多电子设计（例如电池供电型系统）需要强大的 DC/DC 转换器，以便在输入电压波动时保持稳定的电压输出。尽管四开关降压-升压拓扑因其灵活性和功率密度而成为常用选择，但将这些系统扩展到大电流应用时，会带来重大的设计挑战。设计人员必须仔细权衡降压-升压稳压器内部的架构。具体而言，就是电感器和电流检测装置的集成，会显著影响电路的整体尺寸、复杂性和效率。

本文简要概述了电源系统设计人员面临的挑战和取舍。随后，介绍了 Analog Devices 降压-升压稳压器产品线中的解决方案，并展示了它们是如何应对这些挑战并优化设计的。文中还重点介绍了设计人员可用于加速原型制作和开发的评估套件与软件。

大电流降压-升压设计中的集成取舍

在四开关降压-升压转换器中，功率级需要四个 MOSFET、一个功率电感器和一个电流感测装置。如何在模块封装和印刷电路板 (PCB) 之间分配这些组件是设计人员面临的核心架构决策。

将电感器和检测电阻外置于 PCB 上，能够让设计人员完全掌控元器件的选择。电感器尺寸、磁芯材料和饱和电流可以与应用精确匹配。然而，这种灵活性是有代价的：外部元件会占用电路板空间，使布局复杂化，并且需要仔细布线以最大限度地减少电流检测路径中的噪声。

将电感器和检测电阻集成到模块封装中可以简化设计和布局，减少元件数量和 PCB 空间占用。但这样做也存在取舍：电感器受封装尺寸限制，这可能会限制最大输出电流和热性能。

此外，还可以用无损电流感测方案取代检测电阻，从而做到完全不使用检测电阻。这虽然提高了功率效率，但导致降压-升压模块的集成电路 (IC) 设计更为复杂。

三大模块系列如何应对降压-升压集成挑战

作为其广泛的 µModule 产品系列的一部分，Analog Devices 提供了多种 DC/DC 模块，能够让设计人员在这些集成策略之间进行选择。本文重点介绍四开关降压-升压模块（图 1）：LTM4607、LTM4605 和 LTM4609；LTM8055、LTM8056 和 LTM8054；以及 LTM4712。其中每一款都针对输入电压和输出电流范围内的不同区域。

图 1：所示为四开关降压-升压 µModule，它们采用不同的架构方式，以针对不同的输入电压和输出电流。（图片来源：Analog Devices，由 Kenton Williston 修改）

带有外部电感器和检测电阻的 DC/DC 转换器

LTM4607、LTM4605 和 LTM4609 在 µModule 封装内集成了控制器和 MOSFET，功率电感器和电流检测电阻器置于电路板外部（图 2）。这种结构能够让设计人员灵活地选择电感器和感应电阻器的值，以满足特定的应用要求。

图 2：所示为 LTM4607、LTM4605 和 LTM4609 的封装（左）以及相应的功率级原理图（右），其中突出显示了外部电感器和感应电阻器。（图片来源：Analog Devices）

LTM4607、LTM4605 和 LTM4609 采用引脚兼容的 15 mm × 15 mm × 2.82 mm LGA 封装。LTM4605 专为低电压应用而设计，输入电压范围为 4.5 V 至 20 V，输出电流为 12 A（降压模式）。LTM4607 和 LTM4609 将 10 A（降压模式）时的输入范围扩展至 36 V，其中 LTM4609 的输出电压范围最广，从 0.8 V 至 34 V。

带有集成电感器和检测电阻的 DC/DC 转换器

LTM8055、LTM8056 和 LTM8054（图 3）将功率电感器和电流检测电阻器集成到 µModule 封装中，通过减少 PCB 上的外部元件数量来简化设计和布局。

图 3：所示为 LTM8055、LTM8054 和 LTM8056 器件的模块（左）并突出显示了集成电感器和检测电阻的示意图布局（右）。（图片来源：Analog Devices）

在本文讨论的三个不同系列中，该系列的输出电流最低：LTM8054 为 5.4 A，LTM8056 为 5.5 A，LTM8055 为 8.5 A（均为降压模式下的值）。LTM8056 的输入范围为 5 V 至 60 V，是本文所讨论器件中最宽的，并且具有 48 V 的最高输出电压。LTM8054 最为紧凑，占用面积为 15 mm × 11.25 mm，高度为 3.42 mm，适用于空间受限的设计。LTM8055 和 LTM8056 采用 15 mm × 15 mm × 4.92 mm 封装。

带集成电感器和无损电流检测功能的 DC/DC 转换器

LTM4712 （图 4）采用了不同的电流检测方法。它不使用分立检测电阻，而是采用集成在模块中的专有无损电流检测方案。这样就消除了与专用检测电阻相关的功率损耗。

图 4：所示为 LTM4712 模块（左）及其原理图（右），突出显示了集成电感器和无损电流检测。（图片来源：Analog Devices）

功率电感器采用组件级封装技术，集成在 16 × 16 × 8.34 mm 的 BGA 封装中。LTM4712 接受 5 V 至 36 V 输入，在降压模式下以 12 A 电流提供 1 V 至 36 V 输出。

DC/DC 转换器规格与效率比较

表 1 汇总了本文讨论的七款 µModule 器件的关键规格。

表 1：所列为所讨论 µModule 器件的关键规格。（图片来源：Analog Devices）

LTM8055、LTM4607 和 LTM4712 的能效比较（图 5）说明了其架构差异的实际影响。比较涵盖三种工作条件：6 V 输入（升压模式）、12 V 输入（降压-升压模式）和 24 V 输入（降压模式），均提供 12 V 输出。

图 5：三种输入电压下的效率比较，所示为 LTM8055、LTM4607 和 LTM4712 在升压、降压-升压和降压模式下的性能。（图片来源：Analog Devices）

并联运行、恒流调节和冗余输入

前面几节介绍了三款 µModule 降压-升压系列的基本工作方式。这些器件还可以配置用于更高级的应用，例如用于更高电流的并联运行、恒流调节和冗余输入电源。LTM4712 就具备所有这三种能力。

考虑并联设计的设计人员可以利用 LTM4712 的峰值电流模式控制。这种快速的逐周期控制方式提供了可靠的保护，并在为高电流应用使用并联配置时，还可实现出色的均流能力。

在有四个模块并联的场景中，可以将它们配置为 90° 相移，以实现最佳交错。此外，可以将一个模块的时钟输出连接到第二个模块的 SYNC 输入，以实现频率同步。

EVAL-LTM4712-A2Z 评估套件（图 6）用四个 LTM4712 模块展示了这项功能。该电路板是试验均流、验证热性能以及驱动原型电路的有用平台。

该电路板以交错并联配置运行四个 LTM4712 模块，从 5 V 至 36 V 输入产生 12 V、48 A 输出，在降压和降压-升压模式下可提供完全的 48 A 电流，在升压模式下可提供 24 A 电流。它还包括一个可选的恒流功能，可向可变负载提供精确、稳定的电流。

图 6：EVAL-LTM4712-A2Z 评估板采用四个 LTM4712 模块并联配置，可在降压和降压-升压模式下提供 48 A 输出。（图片来源：Analog Devices）

单个 LTM4712 模块也提供恒流模式。在此配置中，与负载电流成比例的电压会在外部检测电阻上产生。当该电压达到由控制引脚设定的阈值时，模块会自动降低其输出电压，以将电流保持在目标水平。此功能适用于 LED 驱动或电池充电等应用，在这些应用中，维持精确的电流比维持固定的电压更为关键。

LTM4712 还支持冗余输入配置，其中由独立电源供电的两个模块共享一个公共输出。这对于需要备用电源的系统或从不同输入源汲取电力以支持公共负载的系统非常有用。在此场景中，两个模块并联连接，它们的补偿引脚连接在一起。如果任一输入断电，剩余的模块将维持输出稳压。

DC/DC 转换评估板和设计工具

为了帮助设计人员上手，Analog Devices 为其 µModule 提供了评估套件。例如，DC3189A（图 7）是一个单模块平台，用于评估 LTM4712 的 5 V 至 36 V 输入和 1 V 至 36 V 输出。

图 7：DC3189A 评估板提供了一个用于评估 LTM4712 的单模块平台。（图片来源：Analog Devices）

此外，还提供软件工具来帮助加快设计过程。LTpowerCAD 设计工具有助于进行元件选择、效率估算、环路补偿和负载瞬态分析。设计可导出到 LTspice，以便进行时域仿真和动态分析。

结语

现代降压-升压稳压器为开发人员在广泛的大电流应用中扩展 DC/DC 转换时提供了众多选择。Analog Devices 的四开关 µModule 转换器具有宽输入和输出范围以及灵活的集成选项。在评估板和软件的支持下，这些模块能够让设计人员快速选择并实现最适合其设计需求的架构。