快速实现用于工厂自动化、5G 和物联网的降压转换器

降压 DC/DC 转换器广泛应用于许多电子系统，如 5G 基站、工厂自动化 （FA） 设备和物联网 （IoT） 设备，以有效地降低高压转换。例如，12 伏直流电 （V直流） 或 48 V直流通常需要将电池或配电总线转换为较低的电压，以便为数字IC、模拟传感器、射频（RF）部分和接口设备供电。

虽然设计人员可以实现分立式降压转换器，并在性能特征和电路板布局方面针对特定设计对其进行优化，但采用这种方法仍存在挑战。其中包括选择合适的功率MOSFET、反馈和控制网络的设计、电感器设计以及异步或同步拓扑之间的选择。此外，该设计需要包括许多保护功能，提供最高效率和小尺寸解决方案。与此同时，设计人员被要求缩短设计时间并降低成本，因此需要找到更合适的电源转换器替代品。

设计人员可以采用集成电源IC，而不是分立式布线，将MOSFET与必要的反馈和控制电路相结合，这些电路已经针对高效降压转换器进行了优化。

本文回顾了异步和同步降压DC/DC转换器之间的性能权衡，以及它们如何适应特定应用的需求。本文介绍了 ROHM 半导体的集成异步降压 IC 和同步降压转换器 IC 解决方案，并讨论了实现方面的考虑因素，包括输出电感器和电容器的选择以及印刷电路板布局。讨论中包括评估板，以帮助设计人员入门。

为什么使用降压转换器？

在需要少量电流 （A） 的应用中，降压转换器提供了线性稳压器的更有效替代方案。线性稳压器的效率约为60%，而异步降压转换器的效率可能达到85%以上。

一个基本的异步降压转换器由一个 MOSFET 开关、一个肖特基二极管、一个电容器、一个电感器和控制器/驱动器电路（未显示）组成，用于打开和关闭 MOSFET（图 1）。降压转换器采用直流输入电压（V在）并将其转换为由二极管整流的脉冲交流电流，然后由电感器和电容器滤波以产生稳定的直流输出电压（VO).这种拓扑结构得名于电感两端的电压与输入电压相反或“降压”输入电压。

图 1：异步降压转换器拓扑结构，不包括 MOSFET 控制器/驱动器电路。（图片来源：ROHM Semiconductor）

控制器/驱动器电路检测输出电压，并定期打开和关闭 MOSFET，以将输出电压保持在所需水平。随着负载的变化，控制器/驱动器会改变MOSFET导通的时间，以根据需要向输出提供更多或更少的电流，以保持（调节）输出电压。MOSFET 在一个完整的开/关周期内导通的时间百分比称为占空比。因此，较高的占空比支持较高的负载电流。

同步降压

在需要比异步降压器件更高的效率的应用中，设计人员可以采用同步降压转换器，其中肖特基二极管被同步 MOSFET 整流所取代（图 2）。同步 MOSFET （S2）的导通电阻明显低于肖特基的电阻，从而产生更低的损耗和更高的效率，但成本更高。

一个挑战是，现在有两个MOSFET需要协调打开和关闭。如果两个MOSFET同时导通，则会产生短路，将输入电压直接接地，从而损坏或破坏转换器。与异步设计相比，防止这种情况发生会增加控制电路的复杂性，进一步增加成本和设计时间。

同步降压转换器中的该控制电路在开关转换之间集成了“死区时间”，其中两个开关都关闭了很短的时间，以防止同时导通。幸运的是，对于设计人员来说，电源IC集成了生产降压转换器所需的功率MOSFET和控制电路。

图 2：同步降压转换器拓扑结构，显示用同步整流 MOSFET （S2).（图片来源：ROHM Semiconductor）

集成降压转换器 IC

高度集成的降压转换器 IC 包括 ROHM 的 BD9G500EFJ-LA（异步）和 BD9F500QUZ（同步）器件，它们分别采用 HTSOP-J8 和 VMMP16LX3030 封装（图 3）。BD9G500EFJ-LA 具有 80 V 耐压，适用于 5G 基站、服务器和类似应用中的 48 V 电源总线。它还适用于具有60 V电源总线的系统，如电动自行车，电动工具，FA和物联网设备。它可以提供高达 5 A 的输出电流，在其 2 至 5 A 的输出电流范围内具有 85% 的转换效率。内置功能包括软启动、过压、过流、热关断和欠压锁定保护。

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

虽然BD9G500EFJ-LA和BD9F500QUZ集成了功率MOSFET，但设计人员仍需要选择最佳的输出电感和电容器，这是相互关联的。例如，为了获得电感和输出电容器的最小组合尺寸以及足够低的输出电压纹波，电感的最佳值非常重要。瞬态要求也很重要，并且因系统而异。负载瞬态幅度、电压偏差限制和电容器阻抗都会影响瞬态性能和电容器选择。

设计人员拥有多种电容器技术，每种技术都提供了一组不同的成本和性能权衡。通常，多层陶瓷电容器（MLCC）用于降压转换器中的输出电容，但一些设计可以从使用铝电解电容器或导电聚合物混合电解电容器中受益。

ROHM 简化了电感器和电容器的选择过程，在数据手册中为设计人员提供了这些电源 IC 的完整应用示例电路，包括：

• 输入电压、输出电压、开关频率和输出电流
• 电路原理图
• 建议的物料清单 （BOM），包括值、部件号和制造商
• 工作波形

BD9G500EFJ-LA 的三个详细应用电路，所有电路的开关频率均为 200 千赫兹 （kHz），包括：

• 7 至 48 V直流输入输出为 5.0 V直流在 5 A
• 7 至 36 V直流输入，输出为 3.3 V直流和 5 A
• 18 至 60 V直流输入，输出为 12 V直流和 5 A

BD9F500QUZ 的七个详细应用电路包括：

• 12 至 24 V直流输入，输出为 3.3 V直流和 5 A，开关频率为 1 MHz
• 12 至 24 V直流输入，输出为 3.3 V直流和 5 A，开关频率为 600 kHz
• 4 瓦直流输入，输出为 3.3 V直流和 5 A，开关频率为 1 MHz
• 4 瓦直流输入，输出为 3.3 V直流和 5 A，开关频率为 600 kHz
• 12 V直流输入输出为 1.0 V直流和 5 A，开关频率为 1 MHz
• 12 V直流输入输出为 1.0 V直流和 5 A，开关频率为 600 kHz
• 12 V直流输入，输出为 3.3 V直流和 3 A，开关频率为 2.2 MHz

此外，ROHM 还为设计人员提供了一份应用说明，内容包括“用于开关稳压器输出平滑的电容器类型及其注意事项”。

评估板加快设计过程

为了进一步加快设计过程，ROHM 分别为 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 提供了 BD9G500EFJ-EVK-001 和 BD9F500QUZ 的评估板（图 4）。

图 4：分别用于 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 降压转换器 IC 的 BD9G500EFJ-EVK-001（左）和 BD9F500QUK-001（右）评估板可帮助设计人员快速确保器件满足其要求。（图片来源：ROHM Semiconductor）

BD9G500EFJ-EVK-001 可产生 5 V 电压直流输出自 48 V直流输入。BD9G500EFJ-LA 的输入电压范围为 7 至 76 V直流，其输出电压可配置为 1 V直流至 0.97 x V在带外部电阻器。外部电阻也可用于将工作频率设置在100至650 kHz之间。

BD9F500QUZ-EVK-001 评估板产生 1 V 输出直流从 12 V 起直流输入。BD9F500QUZ 的输入电压范围为 4.5 至 36 V直流，其输出电压可配置为 0.6 至 14 V直流带外部电阻器。该电源IC具有三种可选的开关频率;600 千赫、1 兆赫和 2.2 兆赫。

电路板布局注意事项

使用 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 时的一般印刷电路板布局注意事项包括：

1. 续流二极管和输入电容应与 IC 端子位于同一印刷电路板层上，并尽可能靠近 IC。
2. 应尽可能包括热通孔，以改善散热。
3. 将电感和输出电容尽可能靠近IC放置。
4. 使返回路径电路走线远离噪声源，例如电感器和二极管。

有关具体布局的详细信息，请参见相应器件的数据手册以及 ROHM 关于“降压转换器的 PCB 布局技术”的应用说明。

结论

如图所示，与各种FA、IoT和5G应用中的线性稳压器相比，异步和同步降压转换器可用于提供更高的转换效率。虽然可以为给定的设计设计定制降压转换器，但这是一项复杂且耗时的任务。

相反，设计人员可以选择将功率MOSFET与控制和驱动电路集成的电源IC，以产生紧凑且经济高效的解决方案。此外，设计人员还提供多种工具来加快产品上市速度，包括有关电容器选择和印刷电路板布局的应用说明、详细的应用示例电路和评估板。