传统的先降压后升压型或先升压后降压型转换器不仅拓扑结构复杂,而且转换效率低,并且一般都需要占用较大的电路板面积,限制了它的使用。为此原凌力尔特公司创新地开发出了独特的四开关拓扑结构降压 - 升压型稳压器LTM4607V,显著地提升效率,并且把以前需要外置的MOS管内置于电源芯片内,节省了很大的空间。特别是由于不需进行传统的开关变压器的设计,只需要一个外部电感器和单个检测电阻器和大容量的输入和输出电容器,即可造就一款极具出色的,热性能的紧凑、高性能、高效率的降压 - 升压型稳压器,大大简化了电源的设计,极大地扩大了此类开关电源的应用。虽然此方案单从电源部分的成本上看,与传统的方案比较,硬件成本可能有所提升,但从提高可靠性和性能的总的方面衡量和考虑,绝对是降低了整个系统的综合成本。
LTM4607 V支持 4.5V 至 36V 输入和 0.8V 至 16V输出(由单个电阻器来设定),能够在宽输入范围内提供 92%至 98% 的效率。这种高效型设计在升压模式中提供了高达 5A 的连续电流 ,而在降压模式中则可提供 12A的电流 。高开关频率和电流模式架构的运用实现了针对电压和负载变化的快速瞬态响应,而不会牺牲稳定性。
由于采用了扁平封装,因而可以利用 PC 板底部的未用空间,以实现高密度负载点调节。扁平的 LGA 封装具有一个很低的结点至引脚热阻( 4°C/W ) ,从而保持了一个可接受的结温,即使在满足高功率要求的情况下也不例外。一般来说,在室温环境条件下运作不需要采取特殊的散热措施或增加气流,但是,对于温度较高的环境或者高负载,可以简单地在外壳的顶部增设一个散热器。
它的适用的产品范围有:电信、服务器和网络设备,工业和汽车设备以及高功率电池供电式设备等。
图 1 LTM4607V的封面图
图 2 LTM4607V的底部图
LTM3780V的主要工作原理是控制4个电子开关,见图3。其中A、B两个在输入电源半桥电路,C、D两个在输出电源半桥电路。实际上是利用低内阻大电流的场效应管来作为上述4个电子开关。LTM3780V控制这4个功率场效应管栅极,可以实现开关降压或者开关升压的效果。
图 3 LTM4607V内部的四个场效应管
Boost升压工作模式
当需要设置输出电压VOUT高于输入电源电压VIN时,LTM4607自动切换为Boost升压工作模式。这时LTM4607令A常闭,而B常开,输入电源经直通的A供电给电感L,C与D交替通、断,当C导通D截止时,电源VIN给电感L储存磁能,而在C截止,同时D导通时电感放电,实现Boost升压工作模式。
Buck降压开关工作模式
当输入电压VIN、高于所需要设定的输出电压VOUT时,LTM4607工作在Buck开关降压工作模式,这时LTM4607令D常闭,C常开,只控制A和B交替接通和截止,用开关A给电感L供电,用开关B来为电感续流,以获得降压型Buck开关稳压输出效果。
无缝切换工作模式
当需设定的输出电压VOUT接近输入电源电压VIN时,LTM4607使A-D在每个周期的大部分时间内处于导通状态。仅仅为了适应输出与输入电源电压之间很小的电位差,LTM4607在每个周期的暂短时间内,控制电感L的充电、放电,是靠A-C在VIN对地之间接通,或者B-D在VOUT对地之间接通,来稳定输出电压。
图 4 LTM4607V简化的内部框图
其中RUN引脚为输出控制引脚。当施加RUN引脚上电压VRUN大于1.6 V时,LTM4607控制器工作,而VRUN低于1.6 V时,LTM4607关断内部控制开关电路,控制器处于低电流关断状态,此时无输出电压。注意此管脚上的电压不要大于6伏。
VFB是电压反馈引脚,此管脚内部通过一个100K电阻与输出管脚相连。输出电压通过外部反馈分压电阻将输出电压信号通过内部误差放大器与内部参考电压(0.8 V)相比较,以调节MOSFET的导通时间,使输出电压稳定在设置值。
外部反馈分压电阻Rfb的大小的计算公式见下图5,当要输出12V电压时,可计算出分压电阻的取值是7.15KΩ。
图 5 电阻取值计算公式
图 6 LTM4607外围器件的选择
LTM4607应用电路原理图如下所示。
图 7 LTM4607应用电路原理图
为了充分发挥芯片的性能,本开关电源采用四层PCB设计,在进行PCB设计时,除了通用的布线规则外,对于此开关电源的PCB设计而言,一些需要注意之处在于:(1)由于是大电流输出,相应的大电流PCB走线尽量粗些,芯片的功率器件管脚
与PCB连接处应放置多个过孔与PCB各层的同一走线相连。(2)外部反馈分压电阻应远离大电流信号和噪声路径。(3)SENSE+/SENSE-引脚在布线时应有最小的环路空间,以避免传感布线通过噪
声区域。
下图8分别是1-4层的印制板设计图。
图8 LTM4607V应用电路1-4层的印制板设计图
LTM4607V芯片的推出,极大地简化了此类直流升降压开关电源的设计,为相关应用产品提供了非常稳定可靠而且性能卓越的电源保障。