淺談DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電感器和電容器的選擇

來(lái)源：Digi-Key

作者：Jeff Shepard

降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于許多電子系統(tǒng)，如 5G 基站、工廠自動(dòng)化 （FA） 設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備，以有效降低高電壓。例如，電池或配電總線的 12 VDC 或 48 VDC 等電壓往往需要轉(zhuǎn)換為較低的電壓，以便為數(shù)字 IC、模擬傳感器、射頻 （RF） 元器件和接口設(shè)備供電。

雖然設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)分立降壓轉(zhuǎn)換器，并在性能特點(diǎn)和電路板布局方面針對(duì)特定設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，但依然存在挑戰(zhàn)，包括選擇適當(dāng)?shù)墓β?MOSFET、設(shè)計(jì)反饋和控制網(wǎng)絡(luò)、電感器設(shè)計(jì)，以及選擇異步或同步拓?fù)?。此外，設(shè)計(jì)還需要包含諸多保護(hù)功能，提供最大效率，以及較小的解決方案尺寸。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、降低成本，因此需要找到更合適的電源轉(zhuǎn)換器替代方案。

除了采用分立路線，設(shè)計(jì)人員可以使用集成電源 IC，這些 IC 將 MOSFET 與必要的反饋和控制電路結(jié)合在一起，其中控制電路已針對(duì)高效降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了優(yōu)化。

本文回顧了異步和同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間的性能權(quán)衡，以及它們?nèi)绾芜m應(yīng)具體的應(yīng)用需求。文中以 ROHM Semiconductor 的集成異步降壓 IC 和同步降壓轉(zhuǎn)換器 IC 解決方案為例，探討了實(shí)施方面的考慮因素，包括輸出電感器和電容器的選擇以及印刷電路板布局，還探討了評(píng)估板，以幫助設(shè)計(jì)人員入門(mén)。

為什么使用降壓轉(zhuǎn)換器？

在只需要幾安培 （A） 電流的應(yīng)用中，降壓轉(zhuǎn)換器是比線性穩(wěn)壓器更有效的選擇。線性穩(wěn)壓器的效率約為 60%，而異步降壓轉(zhuǎn)換器的效率可達(dá) 85% 以上。

基礎(chǔ)型異步降壓轉(zhuǎn)換器包括 MOSFET 開(kāi)關(guān)、肖特基二極管、電容器、電感器和控制器/驅(qū)動(dòng)器電路（圖中未顯示），用于打開(kāi)和關(guān)閉 MOSFET（圖 1）。降壓轉(zhuǎn)換器接收直流輸入電壓 （VIN），將其轉(zhuǎn)換為二極管整流的脈沖交流電流，然后由電感器和電容器濾波，產(chǎn)生調(diào)制直流輸出電壓 （VO）。電感器的電壓與輸入電壓相反或?qū)斎腚妷骸敖祲骸?，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由此得名。

圖 1：異步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不含 MOSFET 控制器/驅(qū)動(dòng)器電路。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

控制器/驅(qū)動(dòng)電路感應(yīng)到輸出電壓，定期打開(kāi)和關(guān)閉 MOSFET，以將輸出電壓保持在所需水平。隨著負(fù)載的變化，控制器/驅(qū)動(dòng)器會(huì)改變 MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間，按需增加或減少向輸出端提供的電流，以維持（調(diào)節(jié)）輸出電壓。MOSFET 在一個(gè)完整開(kāi)/關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間百分比被稱為占空比。因此，占空比越高，支持的負(fù)載電流越大。

同步降壓

對(duì)于效率需求不能通過(guò)異步降壓得到滿足的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以采用同步降壓轉(zhuǎn)換器，其中肖特基二極管由同步 MOSFET 整流替代（圖 2）。同步 MOSFET （S2） 的導(dǎo)通電阻明顯低于肖特基電阻，因此損耗更小，效率更高，但成本較高。

這就帶來(lái)了一個(gè)挑戰(zhàn)，即現(xiàn)有兩個(gè) MOSFET，需要協(xié)調(diào)開(kāi)關(guān)。如果兩個(gè) MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通，就會(huì)造成短路，輸入電壓直接接地，破壞或損毀轉(zhuǎn)換器。要阻止這種情況就會(huì)增加控制電路的復(fù)雜性，相比異步設(shè)計(jì)，成本和設(shè)計(jì)時(shí)間均有所增加。

在同步降壓中，這種控制電路在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的中間加入了“空載時(shí)間”，即兩個(gè)開(kāi)關(guān)在很短的時(shí)間內(nèi)均關(guān)閉，以防同時(shí)導(dǎo)通。幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以選擇電源 IC，其中集成了形成降壓轉(zhuǎn)換器所需的功率 MOSFET 和控制電路。

圖 2：同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中肖特基二極管由同步整流 MOSFET （S2） 替代。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

集成降壓轉(zhuǎn)換器 IC

高度集成的降壓轉(zhuǎn)換器 IC 示例包括 ROHM 的 BD9G500EFJ-LA（異步）和 BD9F500QUZ（同步）器件，分別采用 HTSOP-J8 和 VMMP16LX3030 封裝（圖 3）。BD9G500EFJ-LA 的耐壓為 80 V，適用于 5G 基站、服務(wù)器和類(lèi)似應(yīng)用中 48 V 電源總線，也適用于采用 60 V 電源總線的系統(tǒng)，如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)工具、FA 和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。降壓轉(zhuǎn)換器 IC 的輸出電流高達(dá) 5 A，在 2 至 5 A 的輸出電流范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 85%。內(nèi)置功能包括軟啟動(dòng)、過(guò)壓、過(guò)流、熱關(guān)斷和欠壓鎖定保護(hù)。

圖 3：BD9G500EFJ-LA 異步降壓轉(zhuǎn)換器 IC 采用 HTSOP-J8 封裝，BD9F500QUZ 同步降壓 IC 采用 VMMP16LX3030 封裝。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

由于 BD9F500QUZ 同步降壓電源 IC 的擊穿電壓為 39 V，因此對(duì)于采用 24 V 電源總線的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員可以減少 FA 系統(tǒng)（如可編程邏輯控制器 （PLC） 和變頻器）中的安裝面積和元器件數(shù)，從而降低系統(tǒng)成本。BD9F500QUZ 將解決方案的尺寸減少了約 60%，最大開(kāi)關(guān)頻率為 2.2 MHz，因此能使用小型 1.5 μH 電感器。在 3 A 的輸出電流下，這種同步降壓工作效率高達(dá) 90%。

采用高效且能提高散熱效率的封裝，意味著其無(wú)需任何散熱裝置即可達(dá)到約 60 °C 的工作溫度，從而節(jié)省空間、提高可靠性并降低成本。內(nèi)置功能包括輸出電容器放電功能、過(guò)壓、過(guò)流、短路、熱關(guān)斷和欠壓鎖定保護(hù)。

選擇電感器和電容器

雖然 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 集成了功率 MOSFET，但設(shè)計(jì)人員仍然需選擇最佳輸出電感器和電容器，它們是相互關(guān)聯(lián)的。例如，為了獲得電感器和輸出電容器的最小組合尺寸，以及足夠低的輸出電壓紋波，最佳電感值非常重要。瞬態(tài)要求也很重要，這因系統(tǒng)而異。負(fù)載瞬態(tài)振幅、電壓偏差限制和電容器阻抗都影響瞬態(tài)性能和電容器的選擇。

設(shè)計(jì)人員有多種電容器技術(shù)選擇，每種技術(shù)的成本和性能權(quán)衡各不相同。通常，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容使用多層陶瓷電容器 （MLCC），但有些設(shè)計(jì)使用鋁電解電容器或?qū)щ娋酆衔锘旌想娊怆娙萜鞲幸嫣帯?/p>

ROHM 簡(jiǎn)化了電感器和電容器的選擇過(guò)程，在這些電源 IC 的規(guī)格書(shū)中為設(shè)計(jì)人員提供了完整的應(yīng)用示例電路，包括：

· 輸入電壓、輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率和輸出電流

· 電路原理圖

· 建議的物料清單 （BOM），包括數(shù)值、零件編號(hào)和制造商

· 工作波形

BD9G500EFJ-LA 的三個(gè)詳細(xì)應(yīng)用電路，其開(kāi)關(guān)頻率均為 200 kHz，包括：

· 7 至 48 VDC 輸入，5 A 時(shí)輸出為 5.0 VDC

· 7 至 36 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A

· 18 至 60 VDC 輸入，輸出為 12 VDC 和 5 A

BD9F500QUZ 的七個(gè)詳細(xì)應(yīng)用電路包括：

· 12 至 24 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開(kāi)關(guān)頻率 1 MHz

· 12 至 24 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開(kāi)關(guān)頻率 600 kHz

· 5 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開(kāi)關(guān)頻率 1 MHz

· 5 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開(kāi)關(guān)頻率 600 kHz

· 12 VDC 輸入，輸出為 1.0 VDC 和 5 A，開(kāi)關(guān)頻率 1 MHz

· 12 VDC 輸入，輸出為 1.0 VDC 和 5 A，開(kāi)關(guān)頻率 600 kHz

· 12 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 3 A，開(kāi)關(guān)頻率 2.2 MHz

此外，ROHM 為設(shè)計(jì)人員提供了一份應(yīng)用說(shuō)明：“實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器平滑輸出的電容器類(lèi)型及其注意事項(xiàng)”。

評(píng)估板加速了設(shè)計(jì)進(jìn)程

為了進(jìn)一步加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，ROHM 為 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 提供了 BD9G500EFJ-EVK-001 和 BD9F500QUZ-EVK-001 評(píng)估板（圖 4）。

圖 4：BD9G500EFJ-EVK-001（左）和 BD9F500QUZ-EVK-001（右）分別為 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 降壓轉(zhuǎn)換器 IC 的評(píng)估板，幫助設(shè)計(jì)人員快速確保該器件滿足要求。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

BD9G500EFJ-EVK-001 輸出 5 VDC，輸入 48 VDC。BD9G500EFJ-LA 的輸入電壓范圍為 7 至 76 VDC，其輸出電壓可通過(guò)外部電阻器配置為 1 VDC 至 0.97 x VIN。此外，也可以使用外部電阻器將工作頻率設(shè)定在 100 至 650 kHz 之間。

BD9F500QUZ-EVK-001 評(píng)估板輸出 1 VDC，輸入 12 VDC。BD9F500QUZ 的輸入電壓范圍為 4.5 至 36 VDC，其輸出電壓可通過(guò)外部電阻器配置為 0.6 至 14 VDC。該電源 IC 有三種可選擇的開(kāi)關(guān)頻率：600 kHz、1 MHz 和 2.2 MHz。

電路板布局考慮

使用 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 時(shí)，印刷電路板布局一般要考慮：

· 續(xù)流二極管和輸入電容器應(yīng)與 IC 端子在同一層印刷電路板上，并盡可能地靠近 IC。

· 應(yīng)盡量包括熱通孔，以改善散熱。

· 盡可能將電感器和輸出電容器放置在 IC 附近。

· 讓返回路徑的電路印制線遠(yuǎn)離噪聲源，如電感器和二極管。

有關(guān)更具體的布局詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱器件規(guī)格書(shū)和 ROHM 有關(guān)“降壓轉(zhuǎn)換器的 PCB 布局技術(shù)”的應(yīng)用說(shuō)明。

總結(jié)

如圖所示，在各種 FA、物聯(lián)網(wǎng)和 5G 應(yīng)用中，相比線性穩(wěn)壓器，異步和同步降壓轉(zhuǎn)換器可以提供更高的轉(zhuǎn)換效率。雖然能根據(jù)給定設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)定制降壓轉(zhuǎn)換器，但這是一項(xiàng)復(fù)雜和耗時(shí)的任務(wù)。

相反，設(shè)計(jì)人員可以選擇將功率 MOSFET 與控制和驅(qū)動(dòng)電路集為一體的電源 IC，以實(shí)現(xiàn)緊湊而經(jīng)濟(jì)的解決方案。