ROHM的工業(yè)設備用DC/DC轉換IC

更新時間:2015-04-14 | 發(fā)布人:

【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。