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降压转换器在工厂自动化、5G 和物联网中的应用

物联网评论 来源:物联网评论 作者:物联网评论 2022-06-23 16:18 次阅读

虽然设计人员可以实现分立降压转换器,并在性能特点和布局方面针对特定设计进行优化,但依然存在挑战,包括选择适当的功率 MOSFET、设计反馈和控制网络、设计,以及选择异步或同步拓扑。此外,设计还需要包含诸多保护功能,提供最大效率,以及较小的解决方案尺寸。同时,设计人员必须缩短设间、降低成本,因此需要找到更合适的转换器替代方案。

除了采用分立路线,设计人员可以使用集成电源 IC,这些 IC 将 MOSFET 与必要的反馈和控制结合在一起,其中控制电路已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,以及它们如何适应具体的应用需求。文中以 ROHM Semiconductor 的集成异步降压 IC 和同步降压转换器 IC 解决方案为例,探讨了实施方面的考虑因素,包括输出电感器和电容器的选择以及布局,还探讨了,以帮助设计人员入门。

为什么使用降压转换器?

在只需要几安培 (A) 电流的应用中,降压转换器是比线性稳压器必威体育betway登录手机更有效的选择。线性稳压器的效率约为 60%,而异步降压转换器的效率可达 85% 以上。

基础型异步降压转换器包括 MOSFET 、肖特基、电容必威体育betway登录手机器、电感器和控制器/驱动器电路(图中未显示),用于打开和关闭 MOSFET(图 1)。降压转换器接收直流输入电压 (VIN),将其转换为二极管整流的脉冲交流电流,然后由电感器和电容器滤波,产生调制直流输出电压 (VO)。电感器的电压与输入电压相反或对输入电压“降压”,这种拓扑结构由此得名。

异步降压转换器拓扑结构的示意图

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

控制器/驱动电路感应到输出电压,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 的导通时间,按需增加或减少向输出端提供的电流,以维持(调节)输出电压。MOSFET 在一个完整开/关周期内的导通时间百分比被称为占空比。因此,占空比越高,支持的负载电流越大。

同步降压

对于效率需求不能通过异步降压得到满足的应用,设计人员可以采用同步降压转换器,其中肖特基二极管由同步 MOSFET 整流替代(图 2)。同步 MOSFET (S2) 的导通明显低于肖特基电阻,因此损耗更小,效率更高,但成本较高。

这就带来了一个挑战,即现有两个 MOSFET,需要协调开关。如果两个 MOSFET 同时导通,就会造成,输入电压直接接地,破坏或损毁转换器。要阻止这种情况就会增加控制电路的复杂性,相比异步设计,成本和设计时间均有所增加。

在同步降压中,这种控制电路在开关转换的中间加入了“空载时间”,即两个开关在很短的时间内均关闭,以防同时导通。幸运的是,设计人员现在可以选择电源 IC,其中集成了形成降压转换器所需的功率 MOSFET 和控制电路。

同步降压转换器拓扑结构的示意图

图 2:同步降压转换器拓扑结构,其中肖特基二极管由同步整流 MOSFET (S2) 替代。(图片来源:ROHM Semiconductor)

集成降压转换器 IC

必威体育betway登录手机 高度集成的降压转换器 IC 示例包括 ROHM 的 BD9G500EFJ-LA(异步)和 BD9F500QUZ(同步)器件,分别采用 HTSOP-J8 和 VMMP1X3030 封装(图 3)。BD9G500EFJ-LA 的耐压为 80 V,适用于 5G 基站、服务器和类似应用中 48 V 电源总线,也适用于采用 60 V 电源总线的系统,如电动自行车、电动、FA 和物联网设备。降压转换器 IC 的输出电流高达 5 A,在 2 至 5 A 的输出电流范围内,转换效率高达 85%。内置功能包括软启动、过压、过流、热关断和欠压锁定保护。

ROHM 的 BD9G500EFJ-LA 异步降压转换器 IC 图片

图 3:BD9G500EFJ-LA 异步降压转换器 IC 采用 HTSOP-J8 封装,BD9F500QUZ 同步降压 IC 采用 VMMP16LX3030 封装。(图片来源:ROHM Semiconductor)

由于 BD9F500QUZ 同步降压电源 IC 的电压为 39 V,因此对于采用 24 V 电源总线的系统,设计人员可以减少 FA 系统(如可编程逻辑控制器 () 和变频器必威体育betway登录手机)中的安装面积和元器件数,从而降低系统成本。BD9F500QUZ 将解决方案的尺寸减少了约 60%,最大开关频率为 2.2 MHz,因此能使用小型 1.5 μH 电感器。在 3 A 的输出电流下,这种同步降压工作效率高达 90%。

必威体育betway登录手机 采用高效且能提高散热效率的封装,意味着其无需任何散热装置即可达到约 60 °C 的工作温度,从而节省空间、提高可靠性并降低成本。内置功能包括输出电容器放电功能、过压、过流、短路、热关断和欠压锁定保护。

选择电感器和电容器

必威体育betway登录手机 虽然 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 集成了功率 MOSFET,但设计人员仍然需选择最佳输出电感器和电容器,它们是相互关联的。例如,为了获得电感器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,最佳电感值非常重要。瞬态要求也很重要,这因系统而异。负载瞬态振幅、电压偏差限制和电容器都影响瞬态性能和电容器的选择。

设计人员有多种电容器技术选择,每种技术的成本和性能权衡各不相同。通常,降压转换器的输出电容使用多层陶瓷电容器 (MLCC),但有些设计使用或导电聚合物混合电解电容器更有益处。

ROHM 简化了电感器和电容器的选择过程,在这些电源 IC 的规格书中为设计人员提供了完整的应用示例电路,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),包括数值、零件编号和制造商
  • 工作波形

BD9G500EFJ-LA 的三个详细应用电路,其开关频率均为 200 kHz,包括:

  • 7 至 48 VDC 输入,5 A 时输出为 5.0 VDC
  • 7 至 36 VDC 输入,输出为 3.3 VDC 和 5 A
  • 18 至 60 VDC 输入,输出为 12 VDC 和 5 A

BD9F500QUZ 的七个详细应用电路包括:

  • 12 至 24 VDC 输入,输出为 3.3 VDC 和 5 A,开关频率 1 MHz
  • 12 至 24 VDC 输入,输出为 3.3 VDC 和 5 A,开关频率 600 kHz
  • 5 VDC 输入,输出为 3.3 VDC 和 5 A,开关频率 1 MHz
  • 5 VDC 输入,输出为 3.3 VDC 和 5 A,开关频率 600 kHz
  • 12 VDC 输入,输出为 1.0 VDC 和 5 A,开关频率 1 MHz
  • 12 VDC 输入,输出为 1.0 VDC 和 5 A,开关频率 600 kHz
  • 12 VDC 输入,输出为 3.3 VDC 和 3 A,开关频率 2.2 MHz

此外,ROHM 为设计人员提供了一份应用说明:“实现开关稳压器必威体育betway登录手机平滑输出的电容器类型及其注意事项”。

评估板加速了设计进程

为了进一步加快设计进程,ROHM 为 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 提供了 BD9G500EFJ-EVK-001 和 BD9F500QUZ-EVK-001 评估板(图 4)。

ROHM Semiconductor 的 BD9G500EFJ-EVK-001(左)和 BD9F500QUZ-EVK-001(右)评估板图片

图 4:BD9G500EFJ-EVK-001(左)和 BD9F500QUZ-EVK-001(右)分别为 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 降压转换器 IC 的评估板,帮助设计人员快速确保该器件满足要求。(图片来源:ROHM Semiconductor)

BD9G500EFJ-EVK-001 输出 5 VDC,输入 48 VDC。BD9G500EFJ-LA 的输入电压范围为 7 至 76 VDC,其输出电压可通过外部配置为 1 VDC 至 0.97 x VIN。此外,也可以使用外部电阻器将工作频率设定在 100 至 650 kHz 之间。

BD9F500QUZ-EVK-001 评估板输出 1 VDC,输入 12 VDC。BD9F500QUZ 的输入电压范围为 4.5 至 36 VDC,其输出电压可通过外部电阻器配置为 0.6 至 14 VDC。该电源 IC 有三种可选择的开关频率:600 kHz、1 MHz 和 2.2 MHz。

电路板布局考虑

使用 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 时,印刷电路板布局一般要考虑:

  1. 续流二极管和输入电容器应与 IC 端子在同一层印刷电路板上,并尽可能地靠近 IC。
  2. 应尽量包括热通孔,以改善散热。
  3. 尽可能将电感器和输出电容器放置在 IC 附近。
  4. 让返回路径的电路印制线远离噪声源,如电感器和二极管。

必威体育betway登录手机 有关更具体的布局详细信息,请参阅器件规格书和 ROHM 有关“降压转换器的 PCB 布局技术”的应用说明。

总结

如图所示,在各种 FA、物联网和 5G 应用中,相比线性稳压器,异步和同步降压转换器可以提供更高的转换效率。虽然能根据给定设计要求设计定制降压转换器,但这是一项复杂和耗时的任务。

相反,设计人员可以选择将功率 MOSFET 与控制和驱动电路集为一体的电源 IC,以实现紧凑而经济的解决方案。此外,设计人员还可以使用各种工具,以加速产品上市,包括关于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。

审核编辑:符乾江

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