降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于許多電子系統(tǒng)，如 5G 基站、工廠自動化 （FA） 設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備，以有效地降低高壓轉(zhuǎn)換。例如，12 伏直流電 （V直流） 或 48 V直流通常需要將電池或配電總線轉(zhuǎn)換為較低的電壓，以便為數(shù)字IC、模擬傳感器、射頻（RF）部分和接口設(shè)備供電。

雖然設(shè)計人員可以實現(xiàn)分立式降壓轉(zhuǎn)換器，并在性能特征和電路板布局方面針對特定設(shè)計對其進(jìn)行優(yōu)化，但采用這種方法仍存在挑戰(zhàn)。其中包括選擇合適的功率MOSFET、反饋和控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、電感器設(shè)計以及異步或同步拓?fù)渲g的選擇。此外，該設(shè)計需要包括許多保護(hù)功能，提供最高效率和小尺寸解決方案。與此同時，設(shè)計人員被要求縮短設(shè)計時間并降低成本，因此需要找到更合適的電源轉(zhuǎn)換器替代品。

設(shè)計人員可以采用集成電源IC，而不是分立式布線，將MOSFET與必要的反饋和控制電路相結(jié)合，這些電路已經(jīng)針對高效降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了優(yōu)化。

本文回顧了異步和同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器之間的性能權(quán)衡，以及它們?nèi)绾芜m應(yīng)特定應(yīng)用的需求。本文介紹了 ROHM 半導(dǎo)體的集成異步降壓 IC 和同步降壓轉(zhuǎn)換器 IC 解決方案，并討論了實現(xiàn)方面的考慮因素，包括輸出電感器和電容器的選擇以及印刷電路板布局。討論中包括評估板，以幫助設(shè)計人員入門。

為什么使用降壓轉(zhuǎn)換器？

在需要少量電流 （A） 的應(yīng)用中，降壓轉(zhuǎn)換器提供了線性穩(wěn)壓器的更有效替代方案。線性穩(wěn)壓器的效率約為60%，而異步降壓轉(zhuǎn)換器的效率可能達(dá)到85%以上。

一個基本的異步降壓轉(zhuǎn)換器由一個 MOSFET 開關(guān)、一個肖特基二極管、一個電容器、一個電感器和控制器/驅(qū)動器電路（未顯示）組成，用于打開和關(guān)閉 MOSFET（圖 1）。降壓轉(zhuǎn)換器采用直流輸入電壓（V在）并將其轉(zhuǎn)換為由二極管整流的脈沖交流電流，然后由電感器和電容器濾波以產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出電壓（VO).這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得名于電感兩端的電壓與輸入電壓相反或“降壓”輸入電壓。

圖 1：異步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不包括 MOSFET 控制器/驅(qū)動器電路。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

控制器/驅(qū)動器電路檢測輸出電壓，并定期打開和關(guān)閉 MOSFET，以將輸出電壓保持在所需水平。隨著負(fù)載的變化，控制器/驅(qū)動器會改變MOSFET導(dǎo)通的時間，以根據(jù)需要向輸出提供更多或更少的電流，以保持（調(diào)節(jié)）輸出電壓。MOSFET 在一個完整的開/關(guān)周期內(nèi)導(dǎo)通的時間百分比稱為占空比。因此，較高的占空比支持較高的負(fù)載電流。

同步降壓

在需要比異步降壓器件更高的效率的應(yīng)用中，設(shè)計人員可以采用同步降壓轉(zhuǎn)換器，其中肖特基二極管被同步 MOSFET 整流所取代（圖 2）。同步 MOSFET （S2）的導(dǎo)通電阻明顯低于肖特基的電阻，從而產(chǎn)生更低的損耗和更高的效率，但成本更高。

一個挑戰(zhàn)是，現(xiàn)在有兩個MOSFET需要協(xié)調(diào)打開和關(guān)閉。如果兩個MOSFET同時導(dǎo)通，則會產(chǎn)生短路，將輸入電壓直接接地，從而損壞或破壞轉(zhuǎn)換器。與異步設(shè)計相比，防止這種情況發(fā)生會增加控制電路的復(fù)雜性，進(jìn)一步增加成本和設(shè)計時間。

同步降壓轉(zhuǎn)換器中的該控制電路在開關(guān)轉(zhuǎn)換之間集成了“死區(qū)時間”，其中兩個開關(guān)都關(guān)閉了很短的時間，以防止同時導(dǎo)通。幸運的是，對于設(shè)計人員來說，電源IC集成了生產(chǎn)降壓轉(zhuǎn)換器所需的功率MOSFET和控制電路。

圖 2：同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，顯示用同步整流 MOSFET （S2).（圖片來源：ROHM Semiconductor）

集成降壓轉(zhuǎn)換器 IC

高度集成的降壓轉(zhuǎn)換器 IC 包括 ROHM 的 BD9G500EFJ-LA（異步）和 BD9F500QUZ（同步）器件，它們分別采用 HTSOP-J8 和 VMMP16LX3030 封裝（圖 3）。BD9G500EFJ-LA 具有 80 V 耐壓，適用于 5G 基站、服務(wù)器和類似應(yīng)用中的 48 V 電源總線。它還適用于具有60 V電源總線的系統(tǒng)，如電動自行車，電動工具，F(xiàn)A和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。它可以提供高達(dá) 5 A 的輸出電流，在其 2 至 5 A 的輸出電流范圍內(nèi)具有 85% 的轉(zhuǎn)換效率。內(nèi)置功能包括軟啟動、過壓、過流、熱關(guān)斷和欠壓鎖定保護(hù)。

Figure 3: The BD9G500EFJ-LA asynchronous buck converter IC comes in an HTSOP-J8 package and the BD9F500QUZ synchronous buck IC comes in a VMMP16LX3030 package. (Image source: ROHM Semiconductor)

Since the BD9F500QUZ synchronous buck power supply IC has a breakdown voltage of 39 volts, designers of systems with 24 V power buses can utilize it to lower system costs by reducing mounting area and component count in FA systems such as programmable logic controllers (PLCs) and inverters. The BD9F500QUZ reduces solution size by about 60%, and the 2.2 MHz maximum switching frequency enables the use of a small 1.5 microhenry (μH) inductor. This synchronous buck operates at up to 90% efficiency with an output current of 3 A.

The combination of high efficiency and thermally efficient packaging means that its operating temperature is around 60 degrees Celsius (°C) without the need for any heatsinking, thereby saving space, improving reliability, and lowering costs. Built-in features include output capacitor discharge function, overvoltage, overcurrent, short circuit, thermal shutdown, and undervoltage lockout protection.

Selecting the inductor and capacitor

雖然BD9G500EFJ-LA和BD9F500QUZ集成了功率MOSFET，但設(shè)計人員仍需要選擇最佳的輸出電感和電容器，這是相互關(guān)聯(lián)的。例如，為了獲得電感和輸出電容器的最小組合尺寸以及足夠低的輸出電壓紋波，電感的最佳值非常重要。瞬態(tài)要求也很重要，并且因系統(tǒng)而異。負(fù)載瞬態(tài)幅度、電壓偏差限制和電容器阻抗都會影響瞬態(tài)性能和電容器選擇。

設(shè)計人員擁有多種電容器技術(shù)，每種技術(shù)都提供了一組不同的成本和性能權(quán)衡。通常，多層陶瓷電容器（MLCC）用于降壓轉(zhuǎn)換器中的輸出電容，但一些設(shè)計可以從使用鋁電解電容器或?qū)щ娋酆衔锘旌想娊怆娙萜髦惺芤妗?/p>

ROHM 簡化了電感器和電容器的選擇過程，在數(shù)據(jù)手冊中為設(shè)計人員提供了這些電源 IC 的完整應(yīng)用示例電路，包括：

• 輸入電壓、輸出電壓、開關(guān)頻率和輸出電流
• 電路原理圖
• 建議的物料清單 （BOM），包括值、部件號和制造商
• 工作波形

BD9G500EFJ-LA 的三個詳細(xì)應(yīng)用電路，所有電路的開關(guān)頻率均為 200 千赫茲 （kHz），包括：

• 7 至 48 V直流輸入輸出為 5.0 V直流在 5 A
• 7 至 36 V直流輸入，輸出為 3.3 V直流和 5 A
• 18 至 60 V直流輸入，輸出為 12 V直流和 5 A

BD9F500QUZ 的七個詳細(xì)應(yīng)用電路包括：

• 12 至 24 V直流輸入，輸出為 3.3 V直流和 5 A，開關(guān)頻率為 1 MHz
• 12 至 24 V直流輸入，輸出為 3.3 V直流和 5 A，開關(guān)頻率為 600 kHz
• 4 瓦直流輸入，輸出為 3.3 V直流和 5 A，開關(guān)頻率為 1 MHz
• 4 瓦直流輸入，輸出為 3.3 V直流和 5 A，開關(guān)頻率為 600 kHz
• 12 V直流輸入輸出為 1.0 V直流和 5 A，開關(guān)頻率為 1 MHz
• 12 V直流輸入輸出為 1.0 V直流和 5 A，開關(guān)頻率為 600 kHz
• 12 V直流輸入，輸出為 3.3 V直流和 3 A，開關(guān)頻率為 2.2 MHz

此外，ROHM 還為設(shè)計人員提供了一份應(yīng)用說明，內(nèi)容包括“用于開關(guān)穩(wěn)壓器輸出平滑的電容器類型及其注意事項”。

評估板加快設(shè)計過程

為了進(jìn)一步加快設(shè)計過程，ROHM 分別為 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 提供了 BD9G500EFJ-EVK-001 和 BD9F500QUZ 的評估板（圖 4）。

圖 4：分別用于 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 降壓轉(zhuǎn)換器 IC 的 BD9G500EFJ-EVK-001（左）和 BD9F500QUK-001（右）評估板可幫助設(shè)計人員快速確保器件滿足其要求。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

BD9G500EFJ-EVK-001 可產(chǎn)生 5 V 電壓直流輸出自 48 V直流輸入。BD9G500EFJ-LA 的輸入電壓范圍為 7 至 76 V直流，其輸出電壓可配置為 1 V直流至 0.97 x V在帶外部電阻器。外部電阻也可用于將工作頻率設(shè)置在100至650 kHz之間。

BD9F500QUZ-EVK-001 評估板產(chǎn)生 1 V 輸出直流從 12 V 起直流輸入。BD9F500QUZ 的輸入電壓范圍為 4.5 至 36 V直流，其輸出電壓可配置為 0.6 至 14 V直流帶外部電阻器。該電源IC具有三種可選的開關(guān)頻率;600 千赫、1 兆赫和 2.2 兆赫。

電路板布局注意事項

使用 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 時的一般印刷電路板布局注意事項包括：

1. 續(xù)流二極管和輸入電容應(yīng)與 IC 端子位于同一印刷電路板層上，并盡可能靠近 IC。
2. 應(yīng)盡可能包括熱通孔，以改善散熱。
3. 將電感和輸出電容盡可能靠近IC放置。
4. 使返回路徑電路走線遠(yuǎn)離噪聲源，例如電感器和二極管。

有關(guān)具體布局的詳細(xì)信息，請參見相應(yīng)器件的數(shù)據(jù)手冊以及 ROHM 關(guān)于“降壓轉(zhuǎn)換器的 PCB 布局技術(shù)”的應(yīng)用說明。

結(jié)論

如圖所示，與各種FA、IoT和5G應(yīng)用中的線性穩(wěn)壓器相比，異步和同步降壓轉(zhuǎn)換器可用于提供更高的轉(zhuǎn)換效率。雖然可以為給定的設(shè)計設(shè)計定制降壓轉(zhuǎn)換器，但這是一項復(fù)雜且耗時的任務(wù)。

相反，設(shè)計人員可以選擇將功率MOSFET與控制和驅(qū)動電路集成的電源IC，以產(chǎn)生緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。此外，設(shè)計人員還提供多種工具來加快產(chǎn)品上市速度，包括有關(guān)電容器選擇和印刷電路板布局的應(yīng)用說明、詳細(xì)的應(yīng)用示例電路和評估板。