DC－DC 開關(guān)穩(wěn)壓器在汽車和工業(yè)設(shè)計(jì)中的歸零

對于汽車和工業(yè)工程師來說，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器對其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性非常高。在汽車領(lǐng)域（圖 1），它們被用于從車輛導(dǎo)航到車頭燈的方方面面。在工業(yè)產(chǎn)品中，這些設(shè)備可以在機(jī)器人、機(jī)械和 PLC（可編程邏輯控制器）中找到。

對于汽車和工業(yè)工程師來說，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器對其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性非常高。在汽車領(lǐng)域（圖 1），它們被用于從車輛導(dǎo)航到車頭燈的方方面面。在工業(yè)產(chǎn)品中，這些設(shè)備可以在機(jī)器人、機(jī)械和 PLC（可編程邏輯控制器）中找到。
在當(dāng)今快速發(fā)展的電子世界中，這兩種應(yīng)用都在不斷發(fā)展。為了跟上步伐，適用于它們的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)也必須發(fā)展。

為開發(fā)產(chǎn)品，工程師需要獲得隨其支持的產(chǎn)品而不斷發(fā)展的開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案。在本文中，我們將介紹這些解決方案對于這兩種應(yīng)用程序的外觀。
用于汽車行業(yè)的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器
首先，讓我們深入了解汽車應(yīng)用中 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的不同要求。其中包括可靠性、小型化、熱調(diào)節(jié)、電磁干擾 (EMI) 和開發(fā)支持。
可靠性 
可靠性在汽車設(shè)計(jì)中始終至關(guān)重要。DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須在電壓波動期間保持一致、穩(wěn)定的運(yùn)行，如圖 2 所示。工程師可以在其設(shè)計(jì)中包含的一個(gè)特定規(guī)范是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它具有小的過沖，可以更有效地保護(hù)組件免受損壞突然的電池電壓波動，例如市場上的解決方案的過沖是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 1/10——例如 600 mV 與 50 mV 相比。

圖 2.如何設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)換器以支持高可靠性的示例。圖片由ROHM提供

小型化 
小型化是一個(gè)關(guān)鍵特性，它不僅意味著減少物理足跡，還意味著在單個(gè)芯片上提供更多功能以及更短的 BOM（物料清單）。例如，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器已經(jīng)可用，它提供單級降壓調(diào)節(jié)，無需次級 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。
效率 
效率仍將是傳統(tǒng)動力汽車和電動汽車 (EV) 的 DC-DC 穩(wěn)壓器的主要關(guān)注點(diǎn)，尤其是在汽車市場轉(zhuǎn)向可持續(xù)能源的情況下。例如，用于汽車行業(yè)的傳統(tǒng)初級 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器旨在實(shí)現(xiàn) 2.2 mA 的靜態(tài)電流，而一些解決方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 25 μA 的靜態(tài)電流消耗，并且在未來可能達(dá)到 4 μA。
工程師們還將尋找能夠向他們承諾提供可靠、穩(wěn)定的穩(wěn)壓器和任何支持硬件的組件制造商。
熱調(diào)節(jié) 
由于各種原因，包括發(fā)熱會縮短 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的壽命，更好的熱調(diào)節(jié)在汽車行業(yè)中仍然很重要。使解決這個(gè)問題更具挑戰(zhàn)性的是車輛的小型化和惡劣的操作環(huán)境。
為了更好地解決熱問題，工程師們將尋找能夠消除笨重、昂貴的散熱器并為工程師提供易于使用、有效的熱模擬器以用于其設(shè)計(jì)的解決方案。緩解發(fā)熱問題的方法包括化 PCB 上用于封裝的銅面積，以及在 PCB 上定位組件以促進(jìn)散熱。
產(chǎn)品線選擇 
不斷發(fā)展的產(chǎn)品陣容在未來也將至關(guān)重要。隨著技術(shù)進(jìn)步和 ADAS（駕駛輔助系統(tǒng)）和自動駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車應(yīng)用的設(shè)計(jì)規(guī)范和約束將變得更加嚴(yán)格。 
自動化程度更高的車輛的廣泛采用必然會導(dǎo)致安全性和功能性問題的增加。同時(shí)，對可持續(xù)能源的日益關(guān)注將導(dǎo)致能源效率要求更高。工程師將需要不斷更新滿足新設(shè)計(jì)規(guī)范、約束和汽車標(biāo)準(zhǔn)的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品線。
電磁干擾
EMI 已經(jīng)成為汽車電子產(chǎn)品的主要問題，包括 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。干擾會導(dǎo)致電子設(shè)備以意想不到的方式運(yùn)行，不僅可能對車輛上的人而且對周圍的人造成危險(xiǎn)。 
由于以下三個(gè)原因，干擾問題變得更具挑戰(zhàn)性：
1.使用的穩(wěn)壓器數(shù)量增加
2.小型化需求
3.更高的開關(guān)頻率。
考慮到所有這些，設(shè)計(jì)必須證明符合 CISPR 25 Class 5，工程師需要支持和協(xié)助才能做到這一點(diǎn)。這些是根據(jù)組件的用途而變化的復(fù)雜要求，并且產(chǎn)品需要大量的測試和文檔來證明產(chǎn)品確實(shí)合規(guī)。
開發(fā)支持 
隨著設(shè)計(jì)規(guī)范和穩(wěn)壓器技術(shù)的不斷變化，支持工程師開發(fā)電源解決方案也很重要。例如，下面圖 3 中顯示的參考板涵蓋了信息娛樂和 ADAS，并且已經(jīng)過電氣特性、熱性能和電磁兼容性 (EMC) 測試。
諸如此類的參考和評估板可幫助工程師熟悉特定 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的配置和實(shí)施要求，以及如何測試和評估關(guān)鍵規(guī)格。

圖 3。使用 ROHM BD9P 系列作為初級電源和 BD9S 系列作為次級電源的參考設(shè)計(jì)。圖片由ROHM提供

隨著汽車行業(yè)繼續(xù)朝著更智能、更自動化的車輛發(fā)展，ADAS 非常重要。同時(shí)，信息娛樂結(jié)合了信息和娛樂，這是終用戶期望在新型車輛中看到的。這兩者都可作為評估板的出色測試應(yīng)用，使工程師能夠確定初級和次級開關(guān)穩(wěn)壓器的可行性和性能。
滿足工業(yè)應(yīng)用的要求
與汽車一樣，在工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)揮著重要作用。事實(shí)上，效率和小型化等問題同樣重要，但背景不同。同時(shí)，在涉及 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，EMC 和熱設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。
高效率 
提高效率仍將是工業(yè)應(yīng)用的重中之重。然而，與汽車用途不同，工業(yè)應(yīng)用越來越依賴于充電需要運(yùn)行更長時(shí)間的可充電電池。例如，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器通常用于為 BMS（電池管理系統(tǒng)）供電并從電池單元接收直流電流。 
高效穩(wěn)壓器可降低運(yùn)營成本，這對于自動化的未來尤其如此，如圖 4 所示。為實(shí)現(xiàn)高效率，工程師應(yīng)尋找靜態(tài)電流為 20μA 且效率介于 80 之間的穩(wěn)壓器% 和 85%。
小型化
小型化也是關(guān)鍵，它會影響自動化產(chǎn)品的整體尺寸，例如無人機(jī)和機(jī)器人，它們的尺寸會限制它們的使用范圍。工程師們將盡可能尋找緊湊、輕便的解決方案。
此外，小型化減輕了重量，支持更高效的性能和單次電池充電后運(yùn)行時(shí)間更長。另一方面，小型化會導(dǎo)致產(chǎn)生過多熱量和效率的潛在問題。 

圖 4.工業(yè)和倉庫汽車的未來將在很大程度上取決于可充電的輕量化設(shè)計(jì)。圖片由Shutterstock提供

改進(jìn)的熱性能 
同樣，正如汽車行業(yè)所見，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器必須具有更好的熱設(shè)計(jì)。如圖 5 所示，發(fā)熱和散熱始終是 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的一個(gè)問題，因?yàn)闊崃亢透邷貢绊戨姎庠男阅懿⒖s短其使用壽命。 
工程師們知道，更好的熱設(shè)計(jì)不僅意味著散熱，還需要通過選擇具有芯片封裝設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器來消除笨重、昂貴的散熱器，限度地減少熱量產(chǎn)生，同時(shí)優(yōu)化穩(wěn)壓器實(shí)施的 PCB 布局。請記住，笨重的散熱器會增加穩(wěn)壓器的尺寸和重量，因此更好的熱設(shè)計(jì)也是進(jìn)一步小型化的關(guān)鍵。 

圖 5. DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)和實(shí)施的變化會顯著影響其熱性能。圖片由ROHM提供

負(fù)責(zé)開發(fā)工業(yè)產(chǎn)品的工程師將尋找穩(wěn)壓器的穩(wěn)定。這與電子元件的有關(guān)：制造商需要通過披露他們遵循的采購指南來證明他們能夠可靠地獲得用于制造芯片的原材料。
電磁兼容性能 
隨著電磁干擾在工業(yè)環(huán)境中越來越普遍，EMC 標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格，因此必須增強(qiáng) EMC 性能。這在一定程度上是由于電子產(chǎn)品的使用增加以及大量數(shù)據(jù)的無線傳輸，這是轉(zhuǎn)向數(shù)字制造、工業(yè) 4.0 和 IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）的標(biāo)志。因此，工程師將需要符合國際 EMC/EMI 標(biāo)準(zhǔn)并提供有效濾波選項(xiàng)的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。
未來，工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)將尋找 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的，這些穩(wěn)壓器提供靈活的制造方法，制造商必須設(shè)置以快速響應(yīng)不斷變化的工業(yè)要求，例如芯片設(shè)計(jì)或修改后的 EMC/EMI 標(biāo)準(zhǔn). 這可以包括從使用的原材料類型到終芯片封裝的所有內(nèi)容。
對于熱和 EMC 等設(shè)計(jì)方面，必須為工程師提供更好的仿真工具。事實(shí)上，能夠提供仿真工具和建議以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和 EMC 合規(guī)性的制造商將至關(guān)重要。提供這項(xiàng)服務(wù)將縮短上市時(shí)間，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)騰出時(shí)間專注于更關(guān)鍵的設(shè)計(jì)部分。
ROHM DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案
根據(jù)本文討論的趨勢，ROHM 一直在分析未來的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)該和將會是什么樣子，并滿足當(dāng)今的這些需求。這包括效率、小型化、熱設(shè)計(jì)、EMC 性能、仿真工具、柔性制造和穩(wěn)壓器的穩(wěn)定。 
對于汽車應(yīng)用，ROHM 正在擴(kuò)展 ROHM BD9P（初級）和BD9S（次級穩(wěn)壓器）系列中可用的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。這些高效開關(guān)穩(wěn)壓器包括 ROHM 專有的納米脈沖控制，支持超快速脈沖控制、性能穩(wěn)定和小型化。它們還包括 ROHM 的 QuiCurr（快速電流）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高速負(fù)載響應(yīng)。
ROHM 還增強(qiáng)了其用于工業(yè)應(yīng)用的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。這包括改進(jìn)ROHM BD9x系列中可用的 60 V、48 V 和 24 V 電源軌的陣容，BD9S 系列是其中的一個(gè)子集。對于工業(yè)應(yīng)用，BD9x 系列包括：
? 3.3 V / 5 V 輸入降壓轉(zhuǎn)換器
? 12 V 輸入降壓轉(zhuǎn)換器
? 24 V 輸入降壓轉(zhuǎn)換器
? 寬輸入電壓 24 V / 48 V / 60 V 降壓轉(zhuǎn)換器
? 56 V（值）輸入降壓控制器
? 隔離式反激式轉(zhuǎn)換器
所有 ROHM 開關(guān)穩(wěn)壓器均符合適用的 EMC/EMI 標(biāo)準(zhǔn)，并且 ROHM 提供支持以驗(yàn)證特定實(shí)施是否符合特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。
此外，ROHM 解決方案模擬器在整個(gè)設(shè)計(jì)和測試階段為工程師提供支持，以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、PCB 庫和 SPICE 電路設(shè)計(jì)和熱仿真的仿真，以優(yōu)化散熱。