ROHM的工业设备用DC/DC转换IC

2015年4月14日

【ROHM半导体(上海)有限公司 04月14日上海讯】
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
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
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
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
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
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
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
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
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。

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