ROHM的工業(yè)設備用DC/DC轉換IC

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

　　而另一方面，將電源單元小型化會(huì )使設備外殼的溫度上升，從而導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轉換IC的功率損耗，減少發(fā)熱量。

　　ROHM的最新DC/DC轉換IC采用三大方法實(shí)現了電源的小型化，即：通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)工作實(shí)現周邊元器件的小型化，通過(guò)同步整流方式降低損耗，通過(guò)大電流低損耗工藝減少發(fā)熱量。

　　1. 通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)工作實(shí)現周邊元器件的小型化ROHM的BD9E300EFJ-LB是輸入耐壓達40V的1ch同步整流降壓型DC/DC轉換器，內置開(kāi)關(guān)用的功率MOSFET。為實(shí)現更高效率，功率MOSFET的上下側均采用Nch-MOSFET。另外，該結構還內置有用于上側Nch-MOSFET柵極驅動(dòng)的自舉二極管。從圖1的電路例可以看出元器件的數量較少。

　　圖1. BD9E300EFJ 應用電路

　　另外，BD9E300EFJ-LB不是高耐壓電源應用中使用較多的非同步整流(二極管整流)方式，而是采用內置MOSFET的同步整流方式。因此，無(wú)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(kāi)關(guān)工作頻率高達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(shí)現電感的小型化，需要降低電感值，而這樣又會(huì )導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衡關(guān)系

　　但是，通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率，無(wú)需改變三角波的斜率即可減小波紋電流。例如，將頻率提高1倍，波紋電流即可減少1/2，同時(shí)電感值也減小1/2，因此，可實(shí)現電感的小型化(圖4)。

　　圖4. 開(kāi)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(kāi)關(guān)穩壓器中，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)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(guò)低通濾波器削減開(kāi)關(guān)頻率

　　通常，將該低通濾波器的截止頻率fo設置為開(kāi)關(guān)頻率的1/100左右即可充分削減開(kāi)關(guān)頻率fsw。提高開(kāi)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。

　　根據該理論，開(kāi)關(guān)頻率越高，元器件尺寸越小。但又會(huì )出現其他問(wèn)題，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗和柵極電荷損耗也會(huì )增加，這會(huì )導致效率下降，發(fā)熱量增加，成為影響電源小型化的負面因素(圖6)。

　　圖6. 開(kāi)關(guān)頻率及其權衡項目

　　綜上所述，開(kāi)關(guān)頻率和MOSFET開(kāi)關(guān)損耗之間存在著(zhù)矛盾。但ROHM的BD9E300EFJ-LB采用最尖端的BiCDMOS工藝，以開(kāi)關(guān)頻率1MHz進(jìn)行設計，實(shí)現了兩者最佳的平衡關(guān)系。

　　2. 通過(guò)同步整流方式降低損耗以往在24V電源系統中占主流的非同步整流方式的IC，高端開(kāi)關(guān)使用MOSFET，低端開(kāi)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

　　當高端開(kāi)關(guān)ON時(shí)，輸入電流從高端開(kāi)關(guān)經(jīng)由電感提供給負載。同時(shí)，磁能積蓄到電感，電荷積蓄到輸出電容。此時(shí)，會(huì )產(chǎn)生由MOSFET的導通阻抗和電流引起的損耗(Pd=RON×I2)。

　　另外，當高端開(kāi)關(guān)OFF時(shí)，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。電流從負載經(jīng)由地、肖特基二極管再次返回電感。此時(shí)，會(huì )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(shí)，低端開(kāi)關(guān)也采用導通阻抗值較小的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(shí)，高端開(kāi)關(guān)ON的時(shí)間和低端開(kāi)關(guān)ON的時(shí)間均為50%。

　　輸入24V輸出5V時(shí)，高端開(kāi)關(guān)ON的時(shí)間為20.8%，低端開(kāi)關(guān)ON的時(shí)間為79.2%，低端開(kāi)關(guān)的損耗處于主導地位。

　　假設低端開(kāi)關(guān)流過(guò)1A的電流，如果是非同步整流方式，低端開(kāi)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?jì)H為1/3.6。

　　由此可見(jiàn)，在類(lèi)似24V電源系統輸出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(guò)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，內置開(kāi)關(guān)由Nch-DMOS FET組成。一般產(chǎn)品存在高耐壓、低導通阻抗和低柵極容量之間的矛盾關(guān)系，而本產(chǎn)品實(shí)現了耐壓40V、輸出電流2.5A、170mΩ低導通阻抗及可在1MHz工作的低柵極容量。因此，即使進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)工作，發(fā)熱量也很低。

　　另外，封裝的背面使用散熱焊盤(pán)(裸露焊盤(pán))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(wú)需擔心發(fā)熱問(wèn)題，客戶(hù)可安心使用。

　　4. 耐壓達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(lái)在工業(yè)設備中廣為應用的非同步整流(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40V的1ch同步整流降壓型DC/DC轉換器，內置開(kāi)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。在該結構中，還內置有生成高端Nch-MOSFET的柵極驅動(dòng)的自舉所需的二極管。

　　這四種產(chǎn)品的主要區別在于，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，采用導通阻抗更低的MOSFET和背面露出散熱焊盤(pán)的熱阻較小的封裝形式。

　　另外，BD9E300和BD9E100是以開(kāi)關(guān)頻率1MHz進(jìn)行設計的。而B(niǎo)D9E301和BD9E101則以570kHz進(jìn)行設計，這是因為在壓降比高的情況下，如果開(kāi)關(guān)頻率高，則開(kāi)關(guān)損耗増加，發(fā)熱量超標，無(wú)法維持最小導通時(shí)間。ROHM的解決方案比起尺寸更重視效率設計(開(kāi)關(guān)頻率低則開(kāi)關(guān)損耗降低)，從而實(shí)現可根據客戶(hù)使用條件的選擇最佳開(kāi)關(guān)頻率。

　　5. 總結在所有領(lǐng)域節能意識高漲的大背景下，大功率工業(yè)設備類(lèi)的應用中，節能型半導體、可支持大功率的功率元器件和電源IC的應用日益廣泛。而且，應用于大功率領(lǐng)域時(shí)，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致的突發(fā)浪涌電壓也不會(huì )損壞。

　　ROHM為滿(mǎn)足這些需求，現在正在開(kāi)發(fā)耐壓更高的IC，今后也會(huì )繼續擴充DC/DC轉換器系列產(chǎn)品，不斷完善豐富多彩的產(chǎn)品陣容， 為多樣化市場(chǎng)需求貢獻力量。