ROHM BD95861MUV同步降压DC/DC转换器评估板使用指南

一、引言

在电子设计领域，电源管理是至关重要的一环。ROHM的同步降压DC/DC转换器BD95861MUV为我们提供了一种高效、稳定的电源解决方案。本文将围绕BD95861MUV评估板展开，详细介绍其操作、评估步骤，以及相关的组件选择、布局建议等内容，希望能为电子工程师们在实际设计中提供参考。

文件下载：BD95861MUV-EVK-101.pdf

二、评估板概述

2.1 基本信息

该评估板专为评估ROHM的BD95861MUV同步降压DC/DC转换器而开发。它能接受7.5 - 18V的宽电源输入，可产生0.8V至5.5V的输出电压。IC内部集成了50mΩ的高端N沟道MOSFET和30mΩ的低端N沟道MOSFET，同步频率范围为500kHz至800kHz。

2.2 特性与保护功能

• 软启动电路：固定的软启动电路可防止启动时的浪涌电流。
• 保护电路：具备UVLO（低压错误预防电路）和TSD（热关断检测）保护功能。
• 控制功能：EN引脚可实现IC的简单开关控制，降低待机电流消耗。
• 状态指示：具有开漏PGOOD_LED功能，用于操作指示，同时还具备OCP（过流保护）、SCP（短路保护）、OVP（过压保护）功能。

2.3 应用领域

该评估板适用于多种设备，如LCD TVs、机顶盒（STB）、DVD/蓝光播放器/录像机、宽带网络和通信接口以及娱乐设备等。

三、评估板的操作限制和绝对最大额定值

参数	符号	单位	条件	最小值	典型值	最大值
电源电压	VCC	V	-	7.5	-	18
输出电压	VOUT	V	由R2、R3和R4设置	0.8	-	5.5
输出电流	IOUT	A	-	-	-	6

四、评估板的操作步骤

1. 连接接地端：将电源的GND端子连接到评估板上的GND测试点TP3。
2. 连接电源输入：将电源的VCC端子连接到评估板上的VIN测试点TP1，确保VCC在7.5V至18V的范围内。
3. 检查跳线状态：检查J1的分流跳线是否处于ON位置（Pin2连接到Pin1，IC U1的EN引脚默认拉高）。
4. 测量输出电压：连接负载后，可在评估板的测试点TP2测量输出电压VOUT（+5V），负载最大可增加到6A。

五、参考应用数据

评估板提供了一系列参考应用数据，包括热插拔测试、电路静态电流、效率、负载响应和输出电压纹波响应等。这些数据以图表的形式呈现，直观地展示了评估板在不同条件下的性能。

5.1 热插拔测试

以图4为例，展示了使用齐纳二极管SMAJ15A，在VIN = 18V、VOUT = 5V、IOUT = 6A条件下的热插拔测试结果。通过热插拔测试，我们可以了解评估板在电源插拔过程中的稳定性和可靠性。工程师们可以思考，在实际应用中如何进一步优化热插拔性能，以避免对设备造成损害。

5.2 电路静态电流与电源电压特性

图5显示了电路电流与电源电压的特性关系（温度为25°C）。这有助于我们了解评估板在不同电源电压下的功耗情况，从而在设计中合理选择电源参数，提高能源利用效率。

5.3 电力转换效率

图6展示了在VIN = 12V、VOUT = 5V条件下的电力转换效率。高转换效率意味着更少的能量损耗，对于提高设备的整体性能和延长电池寿命具有重要意义。工程师们可以根据这个数据，评估评估板在实际应用中的节能效果。

5.4 负载响应特性

图7和图8分别展示了在不同负载变化情况下（IOUT从0A到6A和从6A到0A）的负载响应特性。良好的负载响应能力可以确保在负载变化时，输出电压能够快速稳定，保证设备的正常运行。

5.5 输出电压纹波响应特性

图9和图10展示了在不同负载条件下（IOUT = 0A和IOUT = 6A）的输出电压纹波响应特性。低纹波电压可以提高电源的稳定性，减少对设备的干扰。工程师们可以根据这些数据，优化电路设计，降低输出电压纹波。

六、评估板布局指南

6.1 信号路径与噪声问题

布局是良好电源设计的关键部分。评估板中存在一些传导快速变化电流或电压的信号路径，这些路径可能会与杂散电感或寄生电容相互作用，产生噪声或降低电源性能。为了消除这些问题，VCC引脚应使用具有B电介质的低ESR陶瓷旁路电容器接地。

6.2 电流环路

降压调节器系统中存在两个高脉冲电流流动环路：

• FET导通时的环路：从输入电容器开始，经过VIN端子、SW端子、电感器、输出电容器，然后通过GND返回输入电容器。
• FET关断时的环路：从低端FET开始，经过电感器、输出电容器，然后通过GND返回低端FET。

为了降低噪声并提高效率，应尽量减小这两个环路的面积。输入和输出电容器应连接到GND（PGND）平面。

6.3 PCB布局设计注意事项

PCB布局设计会影响系统的热性能、噪声和效率。因此，在设计PCB布局模式时需要格外小心。例如，IC背面的散热垫具有良好的热传导性能，应尽可能使用宽而大的GND平面来帮助散热，同时使用大量的热过孔将热量扩散到不同的层。输入电容器应尽可能靠近VIN端子连接到PGND，电感器和输出电容器应尽可能靠近SW引脚放置。

对于在最大电压条件（最大18V）下运行的应用，在电路板布局时需要考虑额外的散热措施。评估板是一个4层板，仅用于评估目的。在最大条件下，IC的内部热关断检测电路可能会启动，输出将被禁用，直到结温下降。对于接近这些条件的最终设计，建议使用以下PCB选项之一来提高IC的散热性能：

• 使用具有内部GND平面并连接到IC GND引脚的4层PCB。
• 使用带有散热器的2层PCB，散热器连接到IC封装。
• 使用带有铜平面（>1oz）的2层PCB，铜平面连接到IC。

七、应用电路组件的计算

7.1 输出LC滤波器选择

7.1.1 电感器（L）选择

输出LC滤波器用于向输出负载提供恒定电流。较大的电感值可以减少电感器纹波电流（ΔIL）和输出纹波电压，但会导致负载瞬态响应变慢、物理尺寸增大、饱和电流降低和串联电阻增加。较小的电感值则具有相反的特性。电感纹波电流ΔIL的计算公式为： [ Delta I{L}=frac{(V{IN}-V{OUT}) times V{OUT}}{L times f times V_{IN}} quad[A] ]

电感器的饱和电流必须大于最大输出电流（IOUTmax）和电感纹波电流的一半（ΔIL / 2）之和。选择电感器时，应确保有足够的余量，以保证峰值电流不超过电感器的饱和电流值。为了最小化电感器的损耗并提高效率，应选择低电阻（DCR、ACR）的电感器。

7.1.2 输出电容器（COUT）选择

输出电容器（COUT）对输出电压调节有很大影响，特别是在负载快速变化时和用于平滑输出纹波电压。选择电容器时，应考虑电容值、等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。输出纹波电压的计算公式为： [ Delta VOUT = frac{Delta I{L}}{8 times C{OUT} times f} + ESR times Delta I{L} + ESL times frac{Delta I{L}}{Ton} quad[V] ]

同时，还应考虑输出电容的条件，确保输出上升时间在固定的软启动时间内建立。输出电容的计算公式为： [ C{OUT} leq frac{1 msec times (I{OCP} - I{OUT})}{V{OUT}} quad[F] ]

请注意，不合适的输出电容器可能会导致启动故障。

7.2 输入电容器（CIN）选择

为了防止电压瞬态尖峰，输入电容器应具有足够低的ESR电阻，以支持大的纹波电流。纹波电流IRMS的计算公式为： [ I{RMS} = I{OUT} times frac{sqrt{V{OUT} times (V{IN} - V{OUT})}}{V{IN}} quad[A] ]

当VIN = 2 × VOUT时，IRMS = IOUT / 2。建议使用低ESR电容器来减少ESR损耗并提高效率。

7.3 输出电压设置

IC通过控制REF = VFB来控制输出电压，但实际输出电压还会反映平均纹波电压值。输出电压通过从输出节点到FB引脚的电阻分压器设置，计算公式为： [ Output Voltage = frac{R1 + R2}{R2} times REF + Delta VOUT quad[V] ]

其中，REF = VFB(TYP 0.8V) + 0.02 - (ON DUTY × 0.05)，ON DUTY = VOUT / VIN。

7.4 输出电压与导通时间的关系

BD95861MUV是一个控制恒定导通时间的同步降压转换器。导通时间（TON）取决于输出电压设置，计算公式为： [ Ton = 1770 times frac{V{OUT}}{V{IN}} - frac{610}{V_{IN}} + 55 [nsec] ]

应用条件的频率可以通过以下公式确定： [ Frequency = frac{VOUT}{VIN} times frac{1}{Ton} ]

但在实际应用中，由于集成MOSFET的栅极电容和开关速度，SW存在上升和下降时间，可能会影响上述参数。因此，需要通过实验验证这些参数。

7.5 输出电流与频率的关系

BD95861MUV是一种恒定导通时间类型的开关调节器。当输出电流增加时，电感器、MOSFET和输出电容器的开关损耗也会增加，从而使开关频率加快。

电感器、MOSFET和输出电容器的损耗计算公式如下：

• 电感器损耗：( Loss of Inductor = IOUT^{2} times DCR )
• 高端MOSFET损耗：( Loss of MOSFET (High Side) = IOUT^{2} times R_{ONH} times frac{VOUT}{VIN} )
• 低端MOSFET损耗：( Loss of MOSFET (Low Side) = IOUT^{2} times R_{ONL} times (1 - frac{VOUT}{VIN}) )
• 输出电容器损耗：( Loss of Output Capacitor = IOUT^{2} times ESR )

将上述损耗代入频率方程，可得T（= 1 / Freq）的计算公式为： [ T(= 1 / Freq) = frac{VIN times IOUT times Ton}{VOUT times IOUT + (1) + (2) + (3) + (4)} [nsec] ]

由于实际应用中存在PCB布局图案的寄生电阻，会影响参数，因此也需要通过实验验证。

八、评估板BOM

评估板的BOM（物料清单）列出了构建评估板所需的所有组件，包括零件编号和供应商参考。这为工程师们在实际设计中选择合适的组件提供了参考。

九、注意事项

在使用该评估板和相关产品时，需要注意以下几点：

• 未经ROHM Co., Ltd.同意，禁止部分或全部复制或再现本文件。
• 本文内容可能会在不通知的情况下进行改进和更改。
• 应用电路示例、电路常数等信息仅用于说明产品的标准用法和操作，在进行大规模生产电路设计时，需要考虑外围条件。
• 虽然ROHM尽力确保文档信息的准确性，但对于因信息不准确或印刷错误导致的任何损失，ROHM不承担责任。
• 本文中的技术信息仅用于展示产品的典型功能和应用电路示例，ROHM不授予使用或行使知识产权或其他权利的许可，对于因使用这些技术信息引起的任何纠纷，ROHM不承担责任。
• 本文中的产品适用于一般用途的电子设备，不具备辐射耐受性。
• 尽管ROHM努力提高产品的质量和可靠性，但产品可能因各种原因出现故障或故障。在使用产品的设备中，应实施安全措施，以防止因产品故障导致的人身伤害、火灾或其他损坏。
• 产品不设计或制造用于需要极高可靠性的设备、装置或系统，如医疗仪器、运输设备、航空航天机械、核反应堆控制器、燃料控制器或其他安全设备。如果产品用于此类特殊目的，请在购买前联系ROHM销售代表。
• 如果打算出口或海外运输本文中可能受外汇和外贸法控制的任何产品或技术，需要获得相关许可证。

十、总结

ROHM的BD95861MUV同步降压DC/DC转换器评估板为电子工程师们提供了一个全面的电源解决方案评估平台。通过本文的介绍，我们了解了评估板的基本信息、操作步骤、参考应用数据、布局指南以及应用电路组件的计算方法。在实际设计中，工程师们可以根据这些信息，结合具体需求，优化电源设计，提高产品的性能和可靠性。同时，也要注意遵守相关的注意事项，确保产品的正确使用和安全。希望本文能对电子工程师们在电源设计方面有所帮助。你在实际使用BD95861MUV评估板时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。