ROHM的工業(yè)設(shè)備用DC/DC轉(zhuǎn)換IC

　　一直以來，工業(yè)設(shè)備使用的元器件要求具備高可靠性并能確保長期供應(yīng)，但近年來也像消費電子一樣，對小型化的需求日益增加。只要實現(xiàn)電源電路的小型化，即可減少設(shè)備的體積和安裝面積。

　　而另一方面，將電源單元小型化會使設(shè)備外殼的溫度上升，從而導(dǎo)致周邊元器件的可靠性下降。要想避免這種后果，需要降低DC/DC轉(zhuǎn)換IC的功率損耗，減少發(fā)熱量。

　　ROHM的最新DC/DC轉(zhuǎn)換IC采用三大方法實現(xiàn)了電源的小型化，即：通過高頻開關(guān)工作實現(xiàn)周邊元器件的小型化，通過同步整流方式降低損耗，通過大電流低損耗工藝減少發(fā)熱量。

　　1. 通過高頻開關(guān)工作實現(xiàn)周邊元器件的小型化ROHM的BD9E300EFJ-LB是輸入耐壓達(dá)40V的1ch同步整流降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置開關(guān)用的功率MOSFET。為實現(xiàn)更高效率，功率MOSFET的上下側(cè)均采用Nch-MOSFET。另外，該結(jié)構(gòu)還內(nèi)置有用于上側(cè)Nch-MOSFET柵極驅(qū)動的自舉二極管。從圖1的電路例可以看出元器件的數(shù)量較少。

　　圖1. BD9E300EFJ 應(yīng)用電路

　　另外，BD9E300EFJ-LB不是高耐壓電源應(yīng)用中使用較多的非同步整流(二極管整流)方式，而是采用內(nèi)置MOSFET的同步整流方式。因此，無需外置晶體管和整流二極管，使貼裝面積可減少50%(圖2)。

　　圖2. 非同步整流方式與同步整流方式的貼裝面積比較

　　不僅如此，開關(guān)工作頻率高達(dá)1MHz，從而可使用小型的電感和電容。其原理如下。

　　1)電感的小型化

　　通常，要想實現(xiàn)電感的小型化，需要降低電感值，而這樣又會導(dǎo)致電感電流波紋增大，需要較大的輸出電容(圖3)。

　　圖3. 電感值與輸出電容值的權(quán)衡關(guān)系

　　但是，通過提高開關(guān)頻率，無需改變?nèi)遣ǖ男甭始纯蓽p小波紋電流。例如，將頻率提高1倍，波紋電流即可減少1/2，同時電感值也減小1/2，因此，可實現(xiàn)電感的小型化(圖4)。

　　圖4. 開關(guān)頻率與波紋電流ΔIL的關(guān)系

　　2)輸出電容的小型化

　　在開關(guān)穩(wěn)壓器中，開關(guān)節(jié)點和電感之間以矩形波工作。由電感和輸出電容組成二階低通濾波器，以此削減矩形波的高頻成分，使輸出電壓更平滑，從而獲得直流電壓(圖5)。

　　圖5. 通過低通濾波器削減開關(guān)頻率

　　通常，將該低通濾波器的截止頻率fo設(shè)置為開關(guān)頻率的1/100左右即可充分削減開關(guān)頻率fsw。提高開關(guān)頻率fsw，可提高截止頻率fo，因此，可減小輸出電容的容量值，尺寸也可進(jìn)一步縮減。

　　根據(jù)該理論，開關(guān)頻率越高，元器件尺寸越小。但又會出現(xiàn)其他問題，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)MOSFET的開關(guān)損耗和柵極電荷損耗也會增加，這會導(dǎo)致效率下降，發(fā)熱量增加，成為影響電源小型化的負(fù)面因素(圖6)。

　　圖6. 開關(guān)頻率及其權(quán)衡項目

　　綜上所述，開關(guān)頻率和MOSFET開關(guān)損耗之間存在著矛盾。但ROHM的BD9E300EFJ-LB采用最尖端的BiCDMOS工藝，以開關(guān)頻率1MHz進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了兩者最佳的平衡關(guān)系。

　　2. 通過同步整流方式降低損耗以往在24V電源系統(tǒng)中占主流的非同步整流方式的IC，高端開關(guān)使用MOSFET，低端開關(guān)使用肖特基二極管(圖7)。

　　圖7. 非同步整流方式的電流路徑

　　當(dāng)高端開關(guān)ON時，輸入電流從高端開關(guān)經(jīng)由電感提供給負(fù)載。同時，磁能積蓄到電感，電荷積蓄到輸出電容。此時，會產(chǎn)生由MOSFET的導(dǎo)通阻抗和電流引起的損耗(Pd=RON×I2)。

　　另外，當(dāng)高端開關(guān)OFF時，積蓄到電感器的磁能和輸出電容器的電荷作為電流被釋放。電流從負(fù)載經(jīng)由地、肖特基二極管再次返回電感。此時，會產(chǎn)生由肖特基二極管的正向電壓和電流引起的損耗(Pd=VF×I)。

　　而采用同步整流方式時，低端開關(guān)也采用導(dǎo)通阻抗值較小的MOSFET，因此損耗更低(圖8)。

　　圖8. 同步整流方式的電流路徑

　　例如，輸入24V輸出12V時，高端開關(guān)ON的時間和低端開關(guān)ON的時間均為50%。

　　輸入24V輸出5V時，高端開關(guān)ON的時間為20.8%，低端開關(guān)ON的時間為79.2%，低端開關(guān)的損耗處于主導(dǎo)地位。

　　假設(shè)低端開關(guān)流過1A的電流，如果是非同步整流方式，低端開關(guān)的損耗為Pd=VF×I=0.5V×1A=0.5W。 而如果是同步整流方式則為Pd=RON×I2=0.14Ω×1A2=0.14W， 與非同步整流方式相比，發(fā)熱量僅為1/3.6。

　　由此可見，在類似24V電源系統(tǒng)輸出5V等壓降比大的情況下，同步整流方式的損耗更小，發(fā)熱更低，更有利于小型化。

　　3. 通過大電流低損耗工藝減少發(fā)熱量BD9E300EFJ-LB采用最尖端的0.35µm的 BiCDMOS制造工藝，內(nèi)置開關(guān)由Nch-DMOS FET組成。一般產(chǎn)品存在高耐壓、低導(dǎo)通阻抗和低柵極容量之間的矛盾關(guān)系，而本產(chǎn)品實現(xiàn)了耐壓40V、輸出電流2.5A、170mΩ低導(dǎo)通阻抗及可在1MHz工作的低柵極容量。因此，即使進(jìn)行高頻開關(guān)工作，發(fā)熱量也很低。

　　另外，封裝的背面使用散熱焊盤(裸露焊盤)的形狀，使IC芯片產(chǎn)生的熱量也可有效地傳到PCB板上，因此，即使小型封裝也無需擔(dān)心發(fā)熱問題，客戶可安心使用。

　　4. 耐壓達(dá)40V的省電、省空間型電源IC系列ROHM的BD9E系列是替代一直以來在工業(yè)設(shè)備中廣為應(yīng)用的非同步整流(二極管整流)方式電源的新一代電源解決方案。

　　BD9E300EFJ-LB / BD9E301EFJ-LB及BD9E100FJ-LB / BD9E101FJ-LB是輸入耐壓達(dá)40V的1ch同步整流降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置開關(guān)用功率晶體管。功率晶體管的高端和低端均采用Nch-MOSFET，效率更高。在該結(jié)構(gòu)中，還內(nèi)置有生成高端Nch-MOSFET的柵極驅(qū)動的自舉所需的二極管。

　　這四種產(chǎn)品的主要區(qū)別在于，BD9E300 / BD9E301的輸出電流為2.5A，BD9E100 / BD9E101為1.0A，而支持更大功率的BD9E300 / BD9E301，作為熱對策，采用導(dǎo)通阻抗更低的MOSFET和背面露出散熱焊盤的熱阻較小的封裝形式。

　　另外，BD9E300和BD9E100是以開關(guān)頻率1MHz進(jìn)行設(shè)計的。而BD9E301和BD9E101則以570kHz進(jìn)行設(shè)計，這是因為在壓降比高的情況下，如果開關(guān)頻率高，則開關(guān)損耗増加，發(fā)熱量超標(biāo)，無法維持最小導(dǎo)通時間。ROHM的解決方案比起尺寸更重視效率設(shè)計(開關(guān)頻率低則開關(guān)損耗降低)，從而實現(xiàn)可根據(jù)客戶使用條件的選擇最佳開關(guān)頻率。

　　5. 總結(jié)在所有領(lǐng)域節(jié)能意識高漲的大背景下，大功率工業(yè)設(shè)備類的應(yīng)用中，節(jié)能型半導(dǎo)體、可支持大功率的功率元器件和電源IC的應(yīng)用日益廣泛。而且，應(yīng)用于大功率領(lǐng)域時，要求輸入電壓耐壓性能更好，以確保產(chǎn)品即使受到雷電等導(dǎo)致的突發(fā)浪涌電壓也不會損壞。

　　ROHM為滿足這些需求，現(xiàn)在正在開發(fā)耐壓更高的IC，今后也會繼續(xù)擴(kuò)充DC/DC轉(zhuǎn)換器系列產(chǎn)品，不斷完善豐富多彩的產(chǎn)品陣容， 為多樣化市場需求貢獻(xiàn)力量。