ROHM的工業(yè)設備用DC/DC轉換IC
【ROHM半導體(上海)有限公司 04月14日上海訊】
一直以來，工業(yè)設備使用的元器件要求具備高可靠性并能確保長期供應，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采用三大方法實現了電源的小型化，即：通過高頻開關工作實現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.?通過高頻開關工作實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，內置開關用的功率MOSFET。為實現更高效率，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，要想實現電感的小型化，需要降低電感值，而這樣又會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系
但是，通過提高開關頻率，無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，同時電感值也減小1/2，因此，可實現電感的小型化（圖4）。
圖4. 開關頻率與波紋電流ΔIL的關系?
2）輸出電容的小型化
在開關穩(wěn)壓器中，開關節(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頻率?
通常，將該低通濾波器的截止頻率fo設置為開關頻率的1/100左右即可充分削減開關頻率fsw。提高開關頻率fsw，可提高截止頻率fo，因此，可減小輸出電容的容量值，尺寸也可進一步縮減。
根據該理論，開關頻率越高，元器件尺寸越小。但又會出現其他問題，隨著開關頻率的提高，開關MOSFET的開關損耗和柵極電荷損耗也會增加，這會導致效率下降，發(fā)熱量增加，成為影響電源小型化的負面因素（圖6）。
圖6. 開關頻率及其權衡項目?
綜上所述，開關頻率和MOSFET開關損耗之間存在著矛盾。但ROHM的BD9E300EFJ-LB采用最尖端的BiCDMOS工藝，以開關頻率1MHz進行設計，實現了兩者最佳的平衡關系。
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，高端開關使用MOSFET，低端開關使用肖特基二極管（圖7）。
圖7. 非同步整流方式的電流路徑
當高端開關ON時，輸入電流從高端開關經由電感提供給負載。同時，磁能積蓄到電感，電荷積蓄到輸出電容。此時，會產生由MOSFET的導通阻抗和電流引起的損耗（Pd=RON×I2）。
另外，當高端開關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。電流從負載經由地、肖特基二極管再次返回電感。此時，會產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，高端開關ON的時間和低端開關ON的時間均為50%。
輸入24V輸出5V時，高端開關ON的時間為20.8%，低端開關ON的時間為79.2%，低端開關的損耗處于主導地位。
假設低端開關流過1A的電流，如果是非同步整流方式，低端開關的損耗為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，內置開關由Nch-DMOS FET組成。一般產品存在高耐壓、低導通阻抗和低柵極容量之間的矛盾關系，而本產品實現了耐壓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，即使進行高頻開關工作，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心發(fā)熱問題，客戶可安心使用。
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，內置開關用功率晶體管。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的柵極驅動的自舉所需的二極管。
這四種產品的主要區(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是以開關頻率1MHz進行設計的。而BD9E301和BD9E101則以570kHz進行設計，這是因為在壓降比高的情況下，如果開關頻率高，則開關損耗増加，發(fā)熱量超標，無法維持最小導通時間。ROHM的解決方案比起尺寸更重視效率設計（開關頻率低則開關損耗降低），從而實現可根據客戶使用條件的選擇最佳開關頻率。
5.?總結
在所有領域節(jié)能意識高漲的大背景下，大功率工業(yè)設備類的應用中，節(jié)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，應用于大功率領域時，要求輸入電壓耐壓性能更好，以確保產品即使受到雷電等導致的突發(fā)浪涌電壓也不會損壞。
ROHM為滿足這些需求，現在正在開發(fā)耐壓更高的IC，今后也會繼續(xù)擴充DC/DC轉換器系列產品，不斷完善豐富多彩的產品陣容， 為多樣化市場需求貢獻力量。
