Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Analog Devices har en strömstark och fullt integrerad buck-boost-modul med fyra transistorer (4-switchad) och hög verkningsgrad för detta. Modulen innehåller styrkrets, MOSFET:ar, induktor och kondensatorer, vilket ger kompakt format och robust prestanda. Denna regulator i µModule-familjen ger hög effekttäthet, exceptionell verkningsgrad och utmärkt termisk prestanda över ett brett spektrum av in- och utspänningar.

Buck-boost som buck-regulator (step-down)

Det finns flera 40 V step-down-regulatorer i µModule-familjen men deras spännings- och strömområden är begränsade. Genom att använda den nyligen lanserade 4-switchade buck-boost-regulatorn LTM4712 som en step-down-omvandlare kan användningsområdet avsevärt utökas.

Den 4-switchade buck-boost-omvandlaren kan lätt konfigureras som en buck-omvandlare utan behov av särskild justering. När VIN > VUT håller den interna styrkretsen MOSFET-transistorn M3 avstängd och M4 kontinuerligt på. M1 och M2 reglerar utgången och fungerar som en vanlig buck-omvandlare. Jämfört med den föregående step-down-regulatorn LTM4613 har den nya enheten överlägsen verkningsgrad trots den extra ledningsförlust som M4 medför. Förbättringen är möjlig tack vare nya MOSFET-transistorer och bättre induktorer.

Den termiska jämförelsen utan forcerad kylning visar på fördelen med buck-boost-omvandlaren. Trots att den levererar betydligt högre effekt än buck-regulatorn arbetar den nya enheten vid en lägre temperatur och med ett liknande fotavtryck.

Buck-boost som boost-regulator (step-up)

ADI har tidigare lanserat en 40 V boost µModule-regulator. Medan LTM4656 stöder en maximal ström på 4 A kan den nyligen lanserade 4-switchade buck-boost-omvandlaren hantera en högre belastningsström när den fungerar som en step-up-regulator.

När den 4-switchade buck-boost-omvandlaren används i tillämpningar där VIN < VUT förblir M1 på, medan M2 är avstängd. M3 och M4 reglerar uteffekten som en normal boost-omvandlare. Till skillnad från vanliga boost-omvandlare, som saknar kortslutningsskydd på utgången, erbjuder den 4-switchade buck-boost-omvandlaren ett inbyggt kortslutningsskydd. Om utgången är kortsluten till jord börjar M1 och M2 att switcha som en buck-omvandlare, vilket begränsar den ström som flyter från ingång till utgång. Den maximala kortslutningsströmmen begränsas antingen av det RSENSE-motstånd, som är placerat på in- eller utgången, alternativt av induktorns toppströmgräns, beroende på vilken som är lägst. Under det initiala och snabba upprampningssteget VIN har en konventionell boost-omvandlare dessutom vanligtvis okontrollerad, hög inrusningsström genom boost-dioden för att ladda CUT. Eftersom den 4-switchade buck-boost-omvandlaren alltid startar i buck-läge när VUT är låg är dess inrusningsström på ingången välkontrollerad och begränsad av induktorströmmens mjukstart. Sammanfattningsvis erbjuder den 4-switchade buck-boost-omvandlaren en mer tillförlitlig step-up-omvandlare än en konventionell boost-regulator.

I figur 6 och tabell 2 jämförs den 4-switchade buck-boost µModule-regula­torns verkningsgrad, strömkapacitet och termiska prestanda med värden för buck µModule-regulatorn. Den föregående enheten uppvisar överlägsen verkningsgrad, ut­ökad strömhantering och betydligt bättre termisk prestanda. Båda har samma fotavtryck på 16×16 mm.

Buck-boost som inverterande regulator för negativ utspänning

I likhet med vanliga buck-omvandlare kan den 4-switchade buck-boost-omvandlaren också konfigureras i ett inverterande buck-boost-utförande för tillämpningar med negativ utgång. I det fallet switchar M1 och M2 komplementärt med M3 av och M4 på. Observera att den maximala spänningen, VMAX = |VIN|+|VUT|, måste vara mindre än 40 V, vilket är enhetens maximalt tillåtna spänning. Storleken på likströmmen genom induktorn, IL, ges av IL= IUT/(1-D), där D är arbetscykeln för fasbenet med M1 och M2, och M1 är den primära switchen.

Figur 8 visar ett exempel på en krets med interterande konfiguration, utformad för ingång på 24 V och utgång på –12 V, som kan leverera en belastningsström på upp till 10 A. Figur 9 visar de verkningsgradskurvor som erhållits vid bänktest.

I den inverterande buck-boost-omvandlaren kan utspänningen stiga något över noll under uppstart. Samma beteende observeras när man konfigurerar den 4-switchade buck-boost-regulatorn i inverteringsläge.

När strömförsörjningen slås på, men innan alla fyra MOSFET:ar börjar switcha, börjar matningsströmmen ladda den utgående kondensatorn omvänt på två sätt: via frikopplingskondensatorerna CIN som är placerade över M1 och M2, och via kondensatorslingan INTVCC. Om CIN eller CINTVcc är betydligt större än CUT får man troligtvis en högre omvänd spänning.

Det finns dock en inbyggd clamping-krets inne i µModule-regulatorn. VSD3 och VSD4 representerar spänningen mellan in- och utgång för M3 respektive M4. När –VUT > VSD3 + VSD4 blir dioderna i M3 och M4 ledande, och tar över laddningsströmmen. De två dioderna bildar en naturlig clamping-krets. Den maximala omvända utspänningen är med andra ord VSD3 + VSD4.

Figur 12 visar de bänktestade vågformerna för den omvända utspänningen under uppstart. I figur 12a är storleken på omvända -VUT ungefär +0,75 V, med en begränsad CIN (50 µF) ikretsen jämfört med CUT (330 µF). Om CIN ökas till 350 µF erhålls en högre omvänd –VUT på +1,5 V, såsom visas i figur 12b.

Förhållandet mellan CIN och CUT kan justeras för att minimera den positiva utspänningen. En mindre kvot resulterar i en lägre positiv utspänning innan den interna clamping-spänningen Vsd3 + Vsd4 uppnås. En extern Schottky-diod med lågt framspänningsfall kan dessutom läggas till på utgången för att begränsa den positiva spänningen till en önskad nivå.