降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器廣泛應用于許多電子系統(tǒng)，如 5G 基站、工廠自動化 (FA) 設備和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備，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) 元器件和接口設備供電。

雖然設計人員可以實現(xiàn)分立降壓轉(zhuǎn)換器，并在性能特點和電路板布局方面針對特定設計進行優(yōu)化，但依然存在挑戰(zhàn)，包括選擇適當?shù)墓β?MOSFET、設計反饋和控制網(wǎng)絡、電感器設計，以及選擇異步或同步拓撲。此外，設計還需要包含諸多保護功能，提供最大效率，以及較小的解決方案尺寸。同時，設計人員必須縮短設計時間、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，設計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高效降壓轉(zhuǎn)換器進行了優(yōu)化。

本文回顧了異步和同步降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器之間的性能權衡，以及它們?nèi)绾芜m應具體的應用需求。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，還探討了評估板，以幫助設計人員入門。

為什么使用降壓轉(zhuǎn)換器？

在只需要幾安培 (A) 電流的應用中，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 85% 以上。

基礎型異步降壓轉(zhuǎn)換器包括 MOSFET 開關、肖特基二極管、電容器、電感器和控制器/驅(qū)動器電路（圖中未顯示），用于打開和關閉 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)斎腚妷骸敖祲骸保@種拓撲結(jié)構(gòu)由此得名。

圖 1：異步降壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，不含 MOSFET 控制器/驅(qū)動器電路。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

控制器/驅(qū)動電路感應到輸出電壓，定期打開和關閉 MOSFET，以將輸出電壓保持在所需水平。隨著負載的變化，控制器/驅(qū)動器會改變 MOSFET 的導通時間，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 在一個完整開/關周期內(nèi)的導通時間百分比被稱為占空比。因此，占空比越高，支持的負載電流越大。

同步降壓

對于效率需求不能通過異步降壓得到滿足的應用，設計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。

這就帶來了一個挑戰(zhàn)，即現(xiàn)有兩個 MOSFET，需要協(xié)調(diào)開關。如果兩個 MOSFET 同時導通，就會造成短路，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增加控制電路的復雜性，相比異步設計，成本和設計時間均有所增加。

在同步降壓中，這種控制電路在開關轉(zhuǎn)換的中間加入了“空載時間”，即兩個開關在很短的時間內(nèi)均關閉，以防同時導通。幸運的是，設計人員現(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)換器拓撲結(jié)構(gòu)，其中肖特基二極管由同步整流 MOSFET (S2) 替代。（圖片來源：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、服務器和類似應用中 48 V 電源總線，也適用于采用 60 V 電源總線的系統(tǒng)，如電動自行車、電動工具、FA 和物聯(lián)網(wǎng)設備。降壓轉(zhuǎn)換器 IC 的輸出電流高達 5 A，在 2 至 5 A 的輸出電流范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換效率高達 85%。內(nèi)置功能包括軟啟動、過壓、過流、熱關斷和欠壓鎖定保護。

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。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

由于 BD9F500QUZ 同步降壓電源 IC 的擊穿電壓為 39 V，因此對于采用 24 V 電源總線的系統(tǒng)，設計人員可以減少 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%，最大開關頻率為 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 90%。

采用高效且能提高散熱效率的封裝，意味著其無需任何散熱裝置即可達到約 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、過壓、過流、短路、熱關斷和欠壓鎖定保護。

選擇電感器和電容器

雖然 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 集成了功率 MOSFET，但設計人員仍然需選擇最佳輸出電感器和電容器，它們是相互關聯(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。

設計人員有多種電容器技術選擇，每種技術的成本和性能權衡各不相同。通常，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容使用多層陶瓷電容器 (MLCC)，但有些設計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 簡化了電感器和電容器的選擇過程，在這些電源 IC 的規(guī)格書中為設計人員提供了完整的應用示例電路，包括：

• 輸入電壓、輸出電壓、開關頻率和輸出電流
• 電路原理圖
• 建議的物料清單 (BOM)，包括數(shù)值、零件編號和制造商
• 工作波形

BD9G500EFJ-LA 的三個詳細應用電路，其開關頻率均為 200 kHz，包括：

• 7 至 48 VDC 輸入，5 A 時輸出為 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 的七個詳細應用電路包括：

• 12 至 24 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開關頻率 1 MHz
• 12 至 24 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開關頻率 600 kHz
• 5 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開關頻率 1 MHz
• 5 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 5 A，開關頻率 600 kHz
• 12 VDC 輸入，輸出為 1.0 VDC 和 5 A，開關頻率 1 MHz
• 12 VDC 輸入，輸出為 1.0 VDC 和 5 A，開關頻率 600 kHz
• 12 VDC 輸入，輸出為 3.3 VDC 和 3 A，開關頻率 2.2 MHz

此外，ROHM 為設計人員提供了一份應用說明：“實現(xiàn)開關穩(wěn)壓器平滑輸出的電容器類型及其注意事項”。

評估板加速了設計進程

為了進一步加快設計進程，ROHM 為 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 提供了 BD9G500EFJ-EVK-001 和 BD9F500QUZ-EVK-001 評估板（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 的評估板，幫助設計人員快速確保該器件滿足要求。（圖片來源：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定在 100 至 650 kHz 之間。

BD9F500QUZ-EVK-001 評估板輸出 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 有三種可選擇的開關頻率：600 kHz、1 MHz 和 2.2 MHz。

電路板布局考慮

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

1. 續(xù)流二極管和輸入電容器應與 IC 端子在同一層印刷電路板上，并盡可能地靠近 IC。
2. 應盡量包括熱通孔，以改善散熱。
3. 盡可能將電感器和輸出電容器放置在 IC 附近。
4. 讓返回路徑的電路印制線遠離噪聲源，如電感器和二極管。

有關更具體的布局詳細信息，請參閱器件規(guī)格書和 ROHM 有關“降壓轉(zhuǎn)換器的 PCB 布局技術”的應用說明。

總結(jié)

如圖所示，在各種 FA、物聯(lián)網(wǎng)和 5G 應用中，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)給定設計要求設計定制降壓轉(zhuǎn)換器，但這是一項復雜和耗時的任務。

相反，設計人員可以選擇將功率 MOSFET 與控制和驅(qū)動電路集為一體的電源 IC，以實現(xiàn)緊湊而經(jīng)濟的解決方案。此外，設計人員還可以使用各種工具，以加速產(chǎn)品上市，包括關于電容器選擇和印刷電路板布局的應用說明、詳細的應用示例電路和評估板。

審核編輯：符乾江