ROHM推出工业设备用DC/DC转换IC 消费电子, 可靠性, 元器件, 工业, 电源

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一直以来，工业设备使用的元器件要求具备高可靠性并能确保长期供应，但近年来也像消费电子一样，对小型化的需求日益增加。只要实现电源电路的小型化，即可减少设备的体积和安装面积。
　
而另一方面，将电源单元小型化会使设备外壳的温度上升，从而导致周边元器件的可靠性下降。要想避免这种后果，需要降低DC/DC转换IC的功率损耗，减少发热量。

ROHM的最新DC/DC转换IC采用三大方法实现了电源的小型化，即：通过高频开关工作实现周边元器件的小型化，通过同步整流方式降低损耗，通过大电流低损耗工艺减少发热量。

1. 通过高频开关工作实现周边元器件的小型化
ROHM的BD9E300EFJ-LB是输入耐压达40V的1ch同步整流降压型DC/DC转换器，内置开关用的功率MOSFET。为实现更高效率，功率MOSFET的上下侧均采用Nch-MOSFET。另外，该结构还内置有用于上侧Nch-MOSFET栅极驱动的自举二极管。从图1的电路例可以看出元器件的数量较少。


图1 BD9E300EFJ应用电路

另外，BD9E300EFJ-LB不是高耐压电源应用中使用较多的非同步整流（二极管整流）方式，而是采用内置MOSFET的同步整流方式。因此，无需外置晶体管和整流二极管，使贴装面积可减少50％（图2）。


图2  非同步整流方式与同步整流方式的贴装面积比较

不仅如此，开关工作频率高达1MHz，从而可使用小型的电感和电容。其原理如下。

1）电感的小型化
通常，要想实现电感的小型化，需要降低电感值，而这样又会导致电感电流波纹增大，需要较大的输出电容（图3）。


图3  电感值与输出电容值的权衡关系

但是，通过提高开关频率，无需改变三角波的斜率即可减小波纹电流。例如，将频率提高1倍，波纹电流即可减少1/2，同时电感值也减小1/2，因此，可实现电感的小型化（图4）。


图4  开关频率与波纹电流ΔIL的关系

2）输出电容的小型化
在开关稳压器中，开关节点和电感之间以矩形波工作。由电感和输出电容组成二阶低通滤波器，以此削减矩形波的高频成分，使输出电压更平滑，从而获得直流电压（图5）。


图5  通过低通滤波器削减开关频率

通常，将该低通滤波器的截止频率fo设置为开关频率的1/100左右即可充分削减开关频率fsw。提高开关频率fsw，可提高截止频率fo，因此，可减小输出电容的容量值，尺寸也可进一步缩减。

根据该理论，开关频率越高，元器件尺寸越小。但又会出现其他问题，随着开关频率的提高，开关MOSFET的开关损耗和栅极电荷损耗也会增加，这会导致效率下降，发热量增加，成为影响电源小型化的负面因素（图6）。


图6  开关频率及其权衡项目

综上所述，开关频率和MOSFET开关损耗之间存在着矛盾。但ROHM的BD9E300EFJ-LB采用最尖端的BiCDMOS工艺，以开关频率1MHz进行设计，实现了两者最佳的平衡关系。

2. 通过同步整流方式降低损耗
以往在24V电源系统中占主流的非同步整流方式的IC，高端开关使用MOSFET，低端开关使用肖特基二极管（图7）。


图7  非同步整流方式的电流路径

当高端开关ON时，输入电流从高端开关经由电感提供给负载。同时，磁能积蓄到电感，电荷积蓄到输出电容。此时，会产生由MOSFET的导通阻抗和电流引起的损耗（Pd=RON×I2）。

另外，当高端开关OFF时，积蓄到电感器的磁能和输出电容器的电荷作为电流被释放。电流从负载经由地、肖特基二极管再次返回电感。此时，会产生由肖特基二极管的正向电压和电流引起的损耗（Pd=VF×I）。

而采用同步整流方式时，低端开关也采用导通阻抗值较小的MOSFET，因此损耗更低（图8）。


图8  同步整流方式的电流路径

例如，输入24V输出12V时，高端开关ON的时间和低端开关ON的时间均为50%。输入24V输出5V时，高端开关ON的时间为20.8%，低端开关ON的时间为79.2%，低端开关的损耗处于主导地位。假设低端开关流过1A的电流，如果是非同步整流方式，低端开关的损耗为Pd=VF×I=0.5V×1A=0.5W。而如果是同步整流方式则为Pd=RON×I2=0.14Ω×1A2=0.14W，与非同步整流方式相比，发热量仅为1/3.6。由此可见，在类似24V电源系统输出5V等压降比大的情况下，同步整流方式的损耗更小，发热更低，更有利于小型化。

3. 通过大电流低损耗工艺减少发热量
BD9E300EFJ-LB采用最尖端的0.35μm的 BiCDMOS制造工艺，内置开关由Nch-DMOS FET组成。一般产品存在高耐压、低导通阻抗和低栅极容量之间的矛盾关系，而本产品实现了耐压40V、输出电流2.5A、170mΩ低导通阻抗及可在1MHz工作的低栅极容量。因此，即使进行高频开关工作，发热量也很低。

另外，封装的背面使用散热焊盘（裸露焊盘）的形状，使IC芯片产生的热量也可有效地传到PCB板上，因此，即使小型封装也无需担心发热问题，客户可安心使用。

4. 耐压达40V的省电、省空间型电源IC系列
ROHM的BD9E系列是替代一直以来在工业设备中广为应用的非同步整流（二极管整流）方式电源的新一代电源解决方案。

BD9E300EFJ-LB/BD9E301EFJ-LB及BD9E100FJ-LB/BD9E101FJ-LB是输入耐压达40V的1ch同步整流降压型DC/DC转换器，内置开关用功率晶体管。功率晶体管的高端和低端均采用Nch-MOSFET，效率更高。在该结构中，还内置有生成高端Nch-MOSFET的栅极驱动的自举所需的二极管。

这四种产品的主要区别在于，BD9E300/BD9E301的输出电流为2.5A，BD9E100/BD9E101为1.0A，而支持更大功率的BD9E300/BD9E301，作为热对策，采用导通阻抗更低的MOSFET和背面露出散热焊盘的热阻较小的封装形式。
另外，BD9E300和BD9E100是以开关频率1MHz进行设计的。而BD9E301和BD9E101则以570kHz进行设计，这是因为在压降比高的情况下，如果开关频率高，则开关损耗増加，发热量超标，无法维持最小导通时间。ROHM的解决方案比起尺寸更重视效率设计（开关频率低则开关损耗降低），从而实现可根据客户使用条件的选择最佳开关频率。

5. 总结
在所有领域节能意识高涨的大背景下，大功率工业设备类的应用中，节能型半导体、可支持大功率的功率元器件和电源IC的应用日益广泛。而且，应用于大功率领域时，要求输入电压耐压性能更好，以确保产品即使受到雷电等导致的突发浪涌电压也不会损坏。

ROHM为满足这些需求，现在正在开发耐压更高的IC，今后也会继续扩充DC/DC转换器系列产品，不断完善丰富多彩的产品阵容，为多样化市场需求贡献力量。