最佳化高電流升降壓 DC/DC 轉換器的效率

電池供電系統等眾多電子設計，需要強大的 DC/DC 轉換器因應輸入電壓的波動，以維持穩定的輸出電壓。常用的四開關升降壓拓撲結構具備靈活性和高功率密度，但將這些系統延伸到高電流應用會在設計上造成重大挑戰。將電感和電流感測機制整合入升降壓調節器時，設計人員必須對架構做出謹慎的權衡，因為這可能會對電路的整體尺寸、複雜性、效率有極大的影響。

本文概述電力系統設計人員面臨的挑戰和取捨。接著，介紹 Analog Devices 的升降壓穩壓器產品線解決方案，並展示如何用於應對這些挑戰並最佳化設計。文章也重點介紹提供給設計人員用於加速原型製作和開發的評估工具套件和軟體。

高電流升降壓設計中的整合權衡

在四開關升降壓轉換器中，功率級需要四個 MOSFET、一個功率電感，以及一個電流感測機制。這些元件如何在模組封裝和印刷電路板 (PCB) 之間進行劃分，是設計人員需要思考的核心架構決策。

將電感和感測電阻置放在印刷電路板外，設計人員即可完整控制元件的選擇。電感的尺寸、磁芯材料、飽和電流可以精準搭配應用。然而，這種靈活性有代價：外部元件會佔用板空間，使佈局更複雜，並且需要仔細佈線，才能將電流感測路徑中的雜訊降至最低。

將電感和感測電阻整合到模組封裝中，可以簡化設計和佈局，減少元件數量和印刷電路板覆蓋區。這裡的權衡之處在於，電感會受到封裝尺寸的限制，這可能會限制最大輸出電流和散熱效能。

不過，也可以使用無損耗電流感測機制，完全移除感測電阻。如此可提高電源效率，但會導致升降壓模組的積體電路 (IC) 設計更複雜。

此三個模組系列如何回應升降壓整合挑戰

Analog Devices 豐富的 µModule 產品線包含各種 DC/DC 模組，讓設計人員可對這些整合策略選擇。本文重點介紹三個系列的四開關升降壓模組 (圖 1)：LTM4607、LTM4605、LTM4609；LTM8055、LTM8056、LTM8054；LTM4712。這些元件各自針對不同的輸入電壓和輸出電流空間。

圖 1：圖為四開關升降壓 µModules，採用不同的架構設計，以針對不同的輸入電壓和輸出電流。(圖片來源：Analog Devices，經 Kenton Williston 修改)

含外部電感和感測電阻的 DC/DC 轉換器

LTM4607、LTM4605、LTM4609 將控制器和 MOSFET 整合在 µModule 封裝中，功率電感和電流感測電阻則放置在印刷電路板外 (圖 2)。此架構讓設計人員能夠靈活選擇電感值和感測電阻值，以滿足應用的特定要求。

圖 2：左為 LTM4607、LTM4605、LTM4609 的封裝，右為對應的功率級線路圖。圖中突顯外部電感和感測電阻。(圖片來源：Analog Devices)

LTM4607、LTM4605、LTM4609 採用引腳相容的 15 mm × 15 mm × 2.82 mm LGA 封裝。LTM4605 專為低電壓應用所設計，輸入電壓範圍為 4.5 V 至 20 V，輸出電流為 12 A (降壓模式)。LTM4607 和 LTM4609 將輸入範圍延伸至 10 A 時 36 V (降壓模式)，其中 LTM4609 提供的輸出電壓範圍在三者中最寬廣，從 0.8 V 至 34 V。

含整合式電感和感測電阻的 DC/DC 轉換器

LTM8055、LTM8056、LTM8054 (圖 3) 將功率電感和電流感測電阻整合到 µModule 封裝中，可減少印刷電路板上的外部元件數，簡化設計和佈局。

圖 3：圖左為 LTM8055、LTM8054、LTM8056 元件的模組，右為線路圖佈局，圖中突顯整合式電感和偵測電阻。(圖片來源：Analog Devices)

在本文討論的三個不同系列中，此系列的輸出電流最低：LTM8054 為 5.4 A、LTM8056 為 5.5 A、LTM8055 為 8.5 A (降壓模式)。LTM8056 的輸入範圍為 5 V 至 60 V，在上述元件中最寬廣，且具有 48 V 的最高輸出電壓。LTM8054 最緊湊，覆蓋區為 15 mm × 11.25 mm，高度為 3.42 mm，適用於空間受限的設計。LTM8055 和 LTM8056 採用 15 mm × 15 mm × 4.92 mm 的封裝。

整合電感和無損耗電流感測的 DC/DC 轉換器

LTM4712 (圖 4) 採用不同的電流感測方法。沒有使用獨立的感測電阻，而是採用整合在模組中的專有無損耗電流感測機制。可消除專用感測電阻造成的功率損耗。

圖 4：圖左為 LTM4712 模組，右為其線路圖，重點展示整合式電感和無損耗電流偵測功能。(圖片來源：Analog Devices)

此功率電感採用封裝式元件技術整合在 16 × 16 × 8.34 mm 的 BGA 封裝中。LTM4712 接受 5 V 至 36 V 的輸入，並在 12 A 降壓模式下提供 1 V 至 36 V 的輸出電壓。

DC/DC 轉換器規格和效率比較

表 1 總結本文討論的七種 µModule 元件的關鍵規格。

表 1：文中 µModule 元件的關鍵規格。(圖片來源：Analog Devices)

LTM8055、LTM4607、LTM4712 的效率比較 (圖 5)，說明架構差異造成的實際影響。在三種工作條件下進行比較：6 V 輸入 (升壓模式)、12 V 輸入 (升降壓模式) 和 24 V 輸入 (降壓模式)，所有這些輸入都提供 12 V 輸出。

圖 5：在三種輸入電壓下比較效率，展示 LTM8055、LTM4607、LTM4712 在升壓、升降壓、降壓模式下的效能表現。(圖片來源：Analog Devices)

並聯作業、恆定電流調節、備援輸入

以上介紹三種 µModule 升降壓系列的基本操作。這些元件還可以配置於更進階的應用，例如並聯作業以達到更高的電流、恆定電流調節、備援輸入電源。LTM4712 展現這三種功能。

若考慮使用並聯設計，可以使用 LTM4712 的峰值電流模式控制功能。這是快速的逐週期控制，提供可靠的保護，並且在高電流應用進行並聯配置時，可達到出色的分流。

例如，在四個模組並聯的情況中，可以配置為 90° 相移，提供最佳交錯效果。此外，可以將一個模組的時脈輸出連接到第二個模組的 SYNC 輸入，達到頻率同步。

EVAL-LTM4712-A2Z 評估套件 (圖 6) 使用四個 LTM4712 模組，展示這項功能。此板件是一個實用的平台，可用於進行分流實驗、驗證散熱效能，以及驅動原型電路。

此板件以交錯並聯配置執行四個 LTM4712 模組，從 5 V 至 36 V 的輸入，在 48 A 產生 12 V，在降壓和升降壓模式下提供完整的 48 A 電流，及在升壓模式下提供 24 A 電流。此外，還包含選用恆定電流功能，可為可變負載提供精準、調節的電流。

圖 6：EVAL-LTM4712-A2Z 評估板包含四個並聯的 LTM4712 模組，在降壓和升降壓模式下可提供 48 A 的輸出。(圖片來源：Analog Devices)

單一 LTM4712 模組也支援恆定電流模式。在這種配置中，外部感測電阻兩端會產生與負載電流成正比的電壓。此電壓達到控制引腳設定的閾值時，模組會自動降低輸出電壓，使電流保持在目標位準。此功能適用於 LED 驅動或電池充電等應用。在這些應用中，保持精準的電流比保持固定的電壓更重要。

LTM4712 還支援備援輸入配置，其中兩個由獨立電源供電的模組共享一個共用輸出。對於需要備用電源供應器的系統或從不同輸入源獲取電力以支援共同負載的系統很實用。此時，兩個模組並聯，模組的補償引腳相連接。若任一輸入端故障，另一個模組仍能維持輸出調節。

DC/DC 轉換評估板和設計工具

Analog Devices 為 µModules 提供評估套件，協助設計人員入門。例如，DC3189A (圖 7) 是一個單模組平台，用於評估 LTM4712 完整的 5 V 至 36 V 輸入和 1 V 至 36 V 輸出範圍內的效能。

圖 7：DC3189A 評估板是一個評估 LTM4712 的單模組平台。(圖片來源：Analog Devices)

此外，也提供軟體工具，輔助加速設計過程。LTpowerCAD 設計工具可輔助元件選擇、效率估算、迴路補償、負載暫態分析。此設計可以匯出到 LTspice，進行時域模擬和動態分析。

結論

為各種高電流應用中加入 DC/DC 轉換時，現代升降壓穩壓器可提供眾多選擇。Analog Devices 的四開關 µModule 轉換器具有寬廣的輸入和輸出範圍，以及靈活的整合選項。這些模組提供評估板和軟體，能輔助設計人員快速選擇和實作最符合其設計需求的架構。