如何加快降壓轉換器在工廠自動化、5G 和物聯網中的應用
發布時間：2022-6-9 10:23
發布者：eechina
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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 降壓 DC/DC 轉換器廣泛應用于許多電子系統，如 5G 基站、工廠自動化 (FA) 設備和物聯網 (IoT) 設備，以有效降低高電壓。例如，電池或配電總線的 12 VDC 或 48 VDC 等電壓往往需要轉換為較低的電壓，以便為數字 IC、模擬傳感器、射頻 (RF) 元器件和接口設備供電。 雖然設計人員可以實現分立降壓轉換器，并在性能特點和電路板布局方面針對特定設計進行優化，但依然存在挑戰，包括選擇適當的功率 MOSFET、設計反饋和控制網絡、電感器設計，以及選擇異步或同步拓撲。此外，設計還需要包含諸多保護功能，提供最大效率，以及較小的解決方案尺寸。同時，設計人員必須縮短設計時間、降低成本，因此需要找到更合適的電源轉換器替代方案。 除了采用分立路線，設計人員可以使用集成電源 IC，這些 IC 將 MOSFET 與必要的反饋和控制電路結合在一起，其中控制電路已針對高效降壓轉換器進行了優化。 本文回顧了異步和同步降壓 DC/DC 轉換器之間的性能權衡，以及它們如何適應具體的應用需求。文中以 ROHM Semiconductor 的集成異步降壓 IC 和同步降壓轉換器 IC 解決方案為例，探討了實施方面的考慮因素，包括輸出電感器和電容器的選擇以及印刷電路板布局，還探討了評估板，以幫助設計人員入門。 為什么使用降壓轉換器？ 在只需要幾安培 (A) 電流的應用中，降壓轉換器是比線性穩壓器更有效的選擇。線性穩壓器的效率約為 60%，而異步降壓轉換器的效率可達 85% 以上。 基礎型異步降壓轉換器包括 MOSFET 開關、肖特基二極管、電容器、電感器和控制器/驅動器電路（圖中未顯示），用于打開和關閉 MOSFET（圖 1）。降壓轉換器接收直流輸入電壓 (VIN)，將其轉換為二極管整流的脈沖交流電流，然后由電感器和電容器濾波，產生調制直流輸出電壓 (VO)。電感器的電壓與輸入電壓相反或對輸入電壓“降壓”，這種拓撲結構由此得名。 
圖 1：異步降壓轉換器拓撲結構，不含 MOSFET 控制器/驅動器電路。（圖片來源：ROHM Semiconductor） 控制器/驅動電路感應到輸出電壓，定期打開和關閉 MOSFET，以將輸出電壓保持在所需水平。隨著負載的變化，控制器/驅動器會改變 MOSFET 的導通時間，按需增加或減少向輸出端提供的電流，以維持（調節）輸出電壓。MOSFET 在一個完整開/關周期內的導通時間百分比被稱為占空比。因此，占空比越高，支持的負載電流越大。 同步降壓 對于效率需求不能通過異步降壓得到滿足的應用，設計人員可以采用同步降壓轉換器，其中肖特基二極管由同步 MOSFET 整流替代（圖 2）。同步 MOSFET (S2) 的導通電阻明顯低于肖特基電阻，因此損耗更小，效率更高，但成本較高。 這就帶來了一個挑戰，即現有兩個 MOSFET，需要協調開關。如果兩個 MOSFET 同時導通，就會造成短路，輸入電壓直接接地，破壞或損毀轉換器。要阻止這種情況就會增加控制電路的復雜性，相比異步設計，成本和設計時間均有所增加。 在同步降壓中，這種控制電路在開關轉換的中間加入了“空載時間”，即兩個開關在很短的時間內均關閉，以防同時導通。幸運的是，設計人員現在可以選擇電源 IC，其中集成了形成降壓轉換器所需的功率 MOSFET 和控制電路。
圖 2：同步降壓轉換器拓撲結構，其中肖特基二極管由同步整流 MOSFET (S2) 替代。（圖片來源：ROHM Semiconductor） 集成降壓轉換器 IC 高度集成的降壓轉換器 IC 示例包括 ROHM 的 BD9G500EFJ-LA（異步）和 BD9F500QUZ（同步）器件，分別采用 HTSOP-J8 和 VMMP16LX3030 封裝（圖 3）。BD9G500EFJ-LA 的耐壓為 80 V，適用于 5G 基站、服務器和類似應用中 48 V 電源總線，也適用于采用 60 V 電源總線的系統，如電動自行車、電動工具、FA 和物聯網設備。降壓轉換器 IC 的輸出電流高達 5 A，在 2 至 5 A 的輸出電流范圍內，轉換效率高達 85%。內置功能包括軟啟動、過壓、過流、熱關斷和欠壓鎖定保護。
圖 3：BD9G500EFJ-LA 異步降壓轉換器 IC 采用 HTSOP-J8 封裝，BD9F500QUZ 同步降壓 IC 采用 VMMP16LX3030 封裝。（圖片來源：ROHM Semiconductor） 由于 BD9F500QUZ 同步降壓電源 IC 的擊穿電壓為 39 V，因此對于采用 24 V 電源總線的系統，設計人員可以減少 FA 系統（如可編程邏輯控制器 (PLC) 和變頻器）中的安裝面積和元器件數，從而降低系統成本。BD9F500QUZ 將解決方案的尺寸減少了約 60%，最大開關頻率為 2.2 MHz，因此能使用小型 1.5 μH 電感器。在 3 A 的輸出電流下，這種同步降壓工作效率高達 90%。 采用高效且能提高散熱效率的封裝，意味著其無需任何散熱裝置即可達到約 60 °C 的工作溫度，從而節省空間、提高可靠性并降低成本。內置功能包括輸出電容器放電功能、過壓、過流、短路、熱關斷和欠壓鎖定保護。 選擇電感器和電容器 雖然 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 集成了功率 MOSFET，但設計人員仍然需選擇最佳輸出電感器和電容器，它們是相互關聯的。例如，為了獲得電感器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，最佳電感值非常重要。瞬態要求也很重要，這因系統而異。負載瞬態振幅、電壓偏差限制和電容器阻抗都影響瞬態性能和電容器的選擇。 設計人員有多種電容器技術選擇，每種技術的成本和性能權衡各不相同。通常，降壓轉換器的輸出電容使用多層陶瓷電容器 (MLCC)，但有些設計使用鋁電解電容器或導電聚合物混合電解電容器更有益處。 ROHM 簡化了電感器和電容器的選擇過程，在這些電源 IC 的規格書中為設計人員提供了完整的應用示例電路，包括： · 輸入電壓、輸出電壓、開關頻率和輸出電流 · 電路原理圖 · 建議的物料清單 (BOM)，包括數值、零件編號和制造商 · 工作波形 BD9G500EFJ-LA 的三個詳細應用電路，其開關頻率均為 200 kHz，包括： · 7 至 48 VDC 輸入，5 A 時輸出為 5.0 VDC · 7 至 36 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A · 18 至 60 VDC 輸入，輸出為 12 VDC 和 5 A BD9F500QUZ 的七個詳細應用電路包括： · 12 至 24 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開關頻率 1 MHz · 12 至 24 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開關頻率 600 kHz · 5 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開關頻率 1 MHz · 5 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開關頻率 600 kHz · 12 VDC 輸入，輸出為 1.0 VDC 和 5 A，開關頻率 1 MHz · 12 VDC 輸入，輸出為 1.0 VDC 和 5 A，開關頻率 600 kHz · 12 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 3 A，開關頻率 2.2 MHz 此外，ROHM 為設計人員提供了一份應用說明：“實現開關穩壓器平滑輸出的電容器類型及其注意事項”。 評估板加速了設計進程 為了進一步加快設計進程，ROHM 為 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 提供了 BD9G500EFJ-EVK-001 和 BD9F500QUZ-EVK-001 評估板（圖 4）。
圖 4：BD9G500EFJ-EVK-001（左）和 BD9F500QUZ-EVK-001（右）分別為 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 降壓轉換器 IC 的評估板，幫助設計人員快速確保該器件滿足要求。（圖片來源：ROHM Semiconductor） BD9G500EFJ-EVK-001 輸出 5 VDC，輸入 48 VDC。BD9G500EFJ-LA 的輸入電壓范圍為 7 至 76 VDC，其輸出電壓可通過外部電阻器配置為 1 VDC 至 0.97 x VIN。此外，也可以使用外部電阻器將工作頻率設定在 100 至 650 kHz 之間。 BD9F500QUZ-EVK-001 評估板輸出 1 VDC，輸入 12 VDC。BD9F500QUZ 的輸入電壓范圍為 4.5 至 36 VDC，其輸出電壓可通過外部電阻器配置為 0.6 至 14 VDC。該電源 IC 有三種可選擇的開關頻率：600 kHz、1 MHz 和 2.2 MHz。 電路板布局考慮 使用 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 時，印刷電路板布局一般要考慮： · 續流二極管和輸入電容器應與 IC 端子在同一層印刷電路板上，并盡可能地靠近 IC。 · 應盡量包括熱通孔，以改善散熱。 · 盡可能將電感器和輸出電容器放置在 IC 附近。 · 讓返回路徑的電路印制線遠離噪聲源，如電感器和二極管。 有關更具體的布局詳細信息，請參閱器件規格書和 ROHM 有關“降壓轉換器的 PCB 布局技術”的應用說明。 總結 如圖所示，在各種 FA、物聯網和 5G 應用中，相比線性穩壓器，異步和同步降壓轉換器可以提供更高的轉換效率。雖然能根據給定設計要求設計定制降壓轉換器，但這是一項復雜和耗時的任務。 相反，設計人員可以選擇將功率 MOSFET 與控制和驅動電路集為一體的電源 IC，以實現緊湊而經濟的解決方案。此外，設計人員還可以使用各種工具，以加速產品上市，包括關于電容器選擇和印刷電路板布局的應用說明、詳細的應用示例電路和評估板。 |
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