ROHM推出工業(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(zhǎng)期供應(yīng)，但近年來也像消費(fèi)電子一樣，對(duì)小型化的需求日益增加。只要實(shí)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(huì)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(shí)現(xiàn)了電源的小型化，即：通過高頻開關(guān)工作實(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)電感的小型化，需要降低電感值，而這樣又會(huì)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(shí)電感值也減小1/2，因此，可實(shí)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(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(huì)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(huì)增加，這會(huì)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(xiàng)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(jì)，實(shí)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(shí)，輸入電流從高端開關(guān)經(jīng)由電感提供給負(fù)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(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(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(fù)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(shí)，高端開關(guān)ON的時(shí)間和低端開關(guān)ON的時(shí)間均為50%。輸入24V輸出5V時(shí)，高端開關(guān)ON的時(shí)間為20.8%，低端開關(guān)ON的時(shí)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?jī)H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(shí)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(dòng)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(duì)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(jì)的。而BD9E301和BD9E101則以570kHz進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樵趬航当雀叩那闆r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(shí)間。ROHM的解決方案比起尺寸更重視效率設(shè)計(jì)（開關(guān)頻率低則開關(guān)損耗降低），從而實(shí)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(shí)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(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(dǎo)致的突發(fā)浪涌電壓也不會(huì)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(huì)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(chǎng)需求貢獻(xiàn)力量。