深入剖析BD9E100FJ-LB：7.0V - 36V输入、1.0A集成MOSFET同步降压DC/DC转换器

引言

在电子设计领域，DC/DC转换器是电源管理的关键组件。ROHM的BD9E100FJ-LB作为一款7.0V至36V输入、1.0A集成MOSFET的单同步降压DC/DC转换器，凭借其高性能和丰富的保护功能，在工业设备和消费应用等领域具有广泛的应用前景。本文将对BD9E100FJ-LB进行详细剖析，包括其关键规格、功能特性、应用电路以及设计注意事项等方面，为电子工程师在实际设计中提供参考。

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关键规格与特性

基本参数

• 输入输出电压范围：输入电压范围为7.0V至36V，输出电压范围为1.0V至VIN×0.7V，能够满足多种不同的电源需求。
• 输出电流：最大输出电流可达1.0A，可支持一定功率的负载。
• 开关频率：典型开关频率为1MHz，在使用小电感值的情况下仍能保持高效运行。
• MOSFET导通电阻：高端和低端MOSFET的导通电阻典型值均为300mΩ，有助于降低功耗。
• 待机电流：典型待机电流为0μA，可有效节省能源。
• 封装形式：采用SOP - J8封装，尺寸为4.90mm x 6.00mm x 1.65mm，便于安装和布局。

特性亮点

• 长期支持：专为工业应用设计，保证长期供应，适合对产品稳定性和寿命要求较高的工业设备。
• 同步单DC/DC转换：采用同步整流技术，提高转换效率。
• 多重保护功能：具备过流保护（OCP）、短路保护（SCP）、热关断保护（TSD）、欠压锁定保护（UVLO）和过压保护（OVP）等功能，有效保障设备安全运行。
• 软启动功能：防止输出电压过冲和浪涌电流，避免启动时对电路造成冲击。

引脚配置与功能

引脚说明

引脚编号	引脚名称	描述
1	BOOT	与SW引脚之间连接0.1µF的自举电容，该电容电压为高端MOSFET的栅极驱动电压。
2	VIN	开关调节器和控制电路的电源端子，建议连接10µF陶瓷电容。
3	EN	使能端子，信号低电平（0.8V或更低）时设备进入关断模式，高电平（2.5V或更高）时设备启用。
4	AGND	控制电路的接地端子。
5	FB	gm误差放大器的反相输入节点，用于计算输出电压设置电阻。
6	COMP	gm误差放大器输出和输出开关电流比较器的输入端子，连接频率相位补偿组件。
7	PGND	开关调节器输出级的接地端子。
8	SW	开关节点，连接高端MOSFET的源极和低端MOSFET的漏极，与BOOT引脚之间连接0.1µF自举电容，并连接考虑直流叠加特性的电感。

功能描述

• 使能控制：通过EN端子的电压控制IC的启动和关断。当EN电压达到2.5V（典型值）时，内部电路激活，IC启动；将EN的关断间隔（低电平间隔）设置为100µs或更长，可实现EN端子的关断控制。
• 保护功能
  • 短路保护（SCP）：比较FB端子电压与内部参考电压VREF，当FB端子电压低于0.85V（典型值）并持续1.0msec（典型值）时，SCP激活，停止运行16msec（典型值）后重启。
  • 欠压锁定保护（UVLO）：监测VIN端子电压，当VIN端子电压为6.4V（典型值）或更低时进入待机状态，6.6V（典型值）或更高时开始运行。
  • 热关断保护（TSD）：当芯片温度超过175°C（典型值）时，DC/DC转换器输出停止，防止芯片因过热而损坏。
  • 过流保护（OCP）：采用电流模式控制，限制开关频率每个周期内流经高端MOSFET的电流。
  • 反向电流保护（RCP）：采用电流模式控制，限制开关频率每个周期内流经低端MOSFET的电流。
  • 过压保护（OVP）：比较FB端子电压与内部标准电压VREF，当FB端子电压超过1.30V（典型值）时，关闭输出MOSFET；当输出电压下降到滞后值时，恢复正常运行。

典型应用电路与性能曲线

应用电路

典型应用电路中，需要合理选择外部元件，如输入电容CIN、自举电容CBOOT、电感L、输出电容COUT以及反馈电阻R1和R2等。不同的输入输出电压组合，推荐的元件值也有所不同。例如，当VIN = 12V，VOUT = 3.3V时，CIN推荐为10μF，CBOOT为0.1μF，L为6.8μH，R1为6.8kΩ，R2为3.0kΩ等。

性能曲线

文档中给出了一系列典型性能曲线，包括工作电流与结温的关系、待机电流与结温的关系、FB电压参考与结温的关系、开关频率与结温的关系等。这些曲线有助于工程师了解芯片在不同温度和工作条件下的性能表现，为设计提供参考。例如，从工作电流与结温的曲线可以看出，随着温度的升高，工作电流会有所变化，工程师可以根据实际应用场景评估芯片的功耗和散热需求。

外部元件选择

输出LC滤波器

• 电感选择：电感的选择需要在纹波电流和负载瞬态响应之间进行权衡。选择大电感值可减小流入电感的纹波电流∆IL，降低输出电压的纹波电压，但会影响负载瞬态响应特性；选择小电感值可改善瞬态响应特性，但会增大电感纹波电流，增加输出电压的纹波电压。一般建议选择电感的纹波电流分量为平均输出电流（平均电感电流）的20%至50%。同时，电感的饱和电流应大于最大输出电流加上1/2的电感纹波电流∆IL。
• 输出电容选择：输出电容COUT会影响输出纹波电压特性，应选择能够满足必要纹波电压特性的电容。输出纹波电压可通过公式(Delta V{RPL}=Delta I{L} timesleft(R{ESR}+frac{1}{8 × C{OUT} × F{OSC}}right))计算，其中(Delta I{L})为电感纹波电流，(R{ESR})为电容的等效串联电阻，(C{OUT})为输出电容，(F_{OSC})为开关频率。

输出电压设置

输出电压值可通过反馈电阻比设置，公式为(V{OUT}=frac{R{1}+R{2}}{R{2}} × 1.0[V])。同时，需要注意BD9E100FJ - LB输出稳定产生的最小脉冲范围为150nsec，应使用满足(150(nsec) leq frac{V{OUT}}{V{IN} × F_{osc}})的输入输出条件。

输入电压启动

软启动功能设计使得输出电压根据内部设定时间启动。UVLO释放后，软启动操作时输出电压范围应小于输入电压的70%。启动后软启动的输入电压应满足(V{IN} geq frac{V{OUT} × 0.85}{0.7}[V])。

相位补偿

• 相位补偿电阻选择：电流模式控制的降压DC/DC转换器是一个两极、一零点系统。相位补偿电阻(R{CMP})决定了DC/DC转换器总环路增益为0 dB的交叉频率(F{CRS})。较高的交叉频率(F{CRS})可提供良好的负载瞬态响应特性，但稳定性较差；较低的交叉频率(F{CRS})可大大稳定特性，但负载瞬态响应特性会受损。(R{CMP})可通过公式(R{CMP}=frac{2 pi × V{OUT} × F{CRS} × C{OUT}}{V{FB} × G{MP} × G{MA}}[Omega])计算。
• 相位补偿电容选择：为使DC/DC转换器稳定运行，在零交叉频率的1/6以下插入一个零点，可抵消负载形成的极点引起的相位延迟，提供良好的特性。相位补偿电容(C{CMP})可通过公式(C{CMP}=frac{1}{2 pi × R{CMP} × F{Z}}[F])计算。
• 环路稳定性：为确保DC/DC转换器的稳定性，应保证足够的相位裕度，建议在最坏条件下相位裕度至少为45度。前馈电容(C{RUP})与电阻(R{UP})一起形成零点，可在有限频率范围内增加相位裕度。

PCB布局设计

在降压DC/DC转换器中，有两个环路会流过较大的脉冲电流。第一个环路是高端FET导通时的电流路径，从输入电容CIN开始，经过FET、电感L和输出电容COUT，再通过COUT的接地端回到CIN的接地端；第二个环路是低端FET导通时的电流路径，从低端FET开始，经过电感L和输出电容COUT，再通过COUT的接地端回到低端FET的接地端。为了降低噪声、提高效率，应尽可能将这两个环路的走线设计得粗而短。具体的PCB布局设计建议如下：

• 输入电容：应尽可能靠近VIN端子，并与IC在同一平面上。
• 接地平面：若PCB上有未使用的区域，可设置铜箔平面作为接地节点，有助于IC和周围组件的散热。
• 开关节点：如SW等开关节点容易受到与其他节点的交流耦合噪声影响，应将其到电感的走线设计得粗而短。
• 反馈和补偿线路：连接FB和COMP的线路应尽量远离SW节点。
• 输出电容：应远离输入电容，以避免输入谐波噪声的影响。

功率耗散与操作注意事项

功率耗散

在设计PCB布局和外围电路时，必须充分考虑功率耗散，确保其在允许的耗散曲线范围内。功率耗散与温度有关，当环境温度超过25°C时，需进行降额处理，降额系数为5.36 mW/°C（安装在1层70.0mm x 70.0mm x 1.6mm的电路板上）。

操作注意事项

• 电源反接：电源极性反接可能会损坏IC，连接电源时应采取预防措施，如在电源和IC的电源端子之间安装外部二极管。
• 电源线：设计PCB布局时应提供低阻抗的电源线，将数字和模拟块的接地和电源线分开，以防止数字块的噪声影响模拟块。同时，在所有电源引脚处连接电容，并考虑电解电容的温度和老化对电容值的影响。
• 接地电压：确保任何时候引脚电压都不低于接地引脚电压，即使在瞬态条件下也应如此。
• 接地布线模式：使用小信号和大电流接地走线时，应将两者分开布线，并在应用板的参考点连接到单个接地，以避免大电流引起小信号接地的波动。同时，确保外部组件的接地走线不会导致接地电压的变化，接地线路应尽量短而粗，以降低线路阻抗。
• 热考虑：如果功率耗散额定值超过规定值，芯片温度升高可能会导致芯片性能下降。本规格书中规定的Pd绝对最大额定值是在IC安装在70mm x 70mm x 1.6mm的玻璃环氧板上时的值。若超过该绝对最大额定值，应增加电路板尺寸和铜面积，以防止超过Pd额定值。
• 推荐工作条件：这些条件代表了IC能够大致获得预期特性的范围，电气特性在每个参数的条件下得到保证。
• 浪涌电流：首次给IC供电时，由于内部供电顺序和延迟，内部逻辑可能不稳定，可能会瞬间产生浪涌电流，尤其是IC有多个电源时。因此，应特别考虑电源耦合电容、电源布线、接地布线宽度和连接路由。
• 强电磁场下的操作：在强电磁场环境下操作IC可能会导致IC故障。
• 应用板测试：在应用板上测试IC时，直接将电容连接到低阻抗输出引脚可能会对IC造成压力。每次测试过程或步骤结束后，应完全放电电容。在检查过程中，连接或移除IC之前，应始终完全关闭IC的电源。为防止静电放电损坏，组装时应将IC接地，并在运输和存储过程中采取类似的预防措施。
• 引脚短路和安装错误：将IC安装在PCB上时，应确保方向和位置正确，错误的安装可能会损坏IC。应避免相邻引脚相互短路，特别是与接地、电源和输出引脚短路。引脚短路可能由多种原因引起，如金属颗粒、水滴（在非常潮湿的环境中）以及组装过程中引脚之间意外形成的焊桥等。
• 未使用的输入端子：IC的输入引脚通常连接到MOS晶体管的栅极，栅极具有极高的阻抗和极低的电容。如果未连接，外部电场很容易对其充电，这种小电荷足以对晶体管的导通产生显著影响，导致IC意外操作。因此，除非另有规定，未使用的输入引脚应连接到电源或接地线。
• IC输入引脚：该单片IC在相邻元件之间包含P +隔离和P衬底层，以保持它们的隔离。P层与其他元件的N层相交处会形成P - N结，产生寄生二极管或晶体管。应避免使这些二极管工作的条件，如向输入引脚（以及P衬底）施加低于GND电压的电压。
• 陶瓷电容：使用陶瓷电容时，应考虑电容随温度的变化以及直流偏置等因素导致的标称电容减小，来确定介电常数。
• 安全操作区域（ASO）：应确保IC的输出电压、输出电流和功率耗散都在安全操作区域（ASO）内。
• 热关断电路（TSD）：该IC内置热关断电路，可防止IC因过热损坏。正常操作应始终在IC的功率耗散额定值范围内。如果超过额定值持续一段时间，结温（Tj）会升高，激活TSD电路，关闭所有输出引脚。当Tj降至TSD阈值以下时，电路自动恢复正常运行。需要注意的是，TSD电路是在超过绝对最大额定值的情况下工作的，因此，绝不能将TSD电路用于设定设计或除保护IC免受热损坏之外的任何目的。
• 过流保护电路（OCP）：该IC集成了过流保护电路，当负载短路时激活。该保护电路可有效防止突发和意外事件造成的损坏，但IC不应用于保护电路连续运行或过渡的应用中。

订购信息与注意事项

订购信息

BD9E100FJ - LB有不同的产品编号和包装规格可供选择，如BD9E100FJ - LB - H2采用SOP - J8封装，适用于工业应用，包装为压纹带和18cm卷轴，数量为250pcs；BD9E100FJ - LB - E2同样采用SOP - J8封装，适用于工业应用，包装为压纹带和32.8cm卷轴，数量为2500pcs。

注意事项

使用ROHM产品时，需要注意以下方面：

• 特殊应用：如果打算在对可靠性要求极高的设备（如医疗设备、飞机/航天器、核动力控制器等）中使用产品，且设备故障可能导致人员伤亡或财产严重损失，应提前咨询ROHM销售代表。除非ROHM事先书面同意，否则ROHM对因使用产品用于特殊应用而导致的任何损害、费用或损失不承担任何责任。
• 安全措施：虽然ROHM产品经过严格的质量控制设计和制造，但半导体产品仍可能以一定概率出现故障或失效。用户应自行承担实施适当安全措施的责任，如安装保护电路或其他保护设备以提高系统安全性，安装冗余电路以减少单电路或多电路故障的影响。
• 特殊环境使用：产品未针对特殊或极端环境条件进行设计，如在液体、户外、暴露于阳光或灰尘、海风或腐蚀性气体、静电或电磁波、靠近发热组件或易燃物品、密封或涂层、未清洁助焊剂残留或使用水溶性清洁剂清洗、有结露的环境中使用。如果打算在这些特殊环境条件下使用产品，在使用前必须独立验证和确认产品的性能、可靠性等。
• 辐射防护：产品未进行防辐射设计。
• 产品验证：使用产品时，应验证和确认最终或安装产品的特性。特别是在施加瞬态负载（如脉冲等短时间内施加大量负载）时，强烈建议在板载安装后确认性能特性。避免施加超过正常额定功率的功率，在稳态负载条件下超过功率额定值可能会对产品性能和可靠性产生负面影响。
• 功率降额：根据环境温度（Ta）对功率耗散（Pd）进行降额。在密封区域使用时，应确认实际环境温度。