如何針對工廠自動化、5G 與 IoT 快速實作降壓轉換器

降壓 DC/DC 轉換器廣泛用於多種電子系統、例如 5G 基地台、工廠自動化 (FA) 設備及物聯網 (IoT) 裝置，可有效對高電壓進行降壓轉換。例如，來自電池或配電匯流排的 12 V_DC 或 48 V_DC 等電壓，通常需要轉換成較低的電壓來驅動數位 IC、類比感測器、無線射頻 (RF) 段及介面裝置。

雖然設計人員可實作離散型降壓轉換器，並針對相關設計的效能特性和電路板佈局進行最佳化，但這種方法面臨諸多挑戰，包括選擇適當的功率 MOSFET、設計回授及控制網路、設計電感，以及選擇非同步或同步拓撲等。此外，這種設計需要包含多種保護功能、提供最大的效率以及實現緊湊型解決方案。同時，設計人員還需要縮短設計時間和降低成本，進而需要找到更適合的電力轉換器替代方案。

相較於離散方案，設計人員可以使用整合式電源 IC，將 MOSFET 和相關回授與控制電路整合在一起，並針對高效率降壓轉換器進行最佳化。

本文將探討非同步和同步降壓 DC/DC 轉換器之間的效能取捨，以及這些產品如何適應特定應用的需求。文中將舉例介紹 ROHM Semiconductor 的整合式非同步降壓 IC 和同步降壓轉換器 IC 解決方案，並探討多個實作注意事項，包括輸出電感和電容的挑選以及電路板佈局。此外，還將探討評估板，以幫助設計人員入門學習。

為何要使用降壓轉換器？

在需要幾安培電流量的應用中，以降壓轉換器代替線性穩壓器更有效率。線性穩壓器的效率可能約為 60%，而非同步降壓轉換器的效率可達到 85% 以上。

一個基本款的非同步降壓轉換器，由 MOSFET 開關、肖特基二極體、電容、電感以及用於開啟和關閉 MOSFET 的控制器／驅動電路 (未顯示) 構成 (圖 1)。降壓轉換器接收 DC 輸入電壓 (V_IN) 並將其轉換成脈衝 AC 電流，二極體整流後再由電感和電容濾波，產生經過穩壓的 DC 輸出電壓 (V_O)。這種拓撲結構之所以得名，是因為電感上的電壓與輸入電壓相對或「相抵」。

圖 1：非同步降壓轉換器拓撲結果 (未含 MOSFET 控制器／驅動電路)。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

控制器／驅動電路會感測輸出電壓，並定期打開和關閉 MOSFET，將輸出電壓維持在所需的水平。隨著負載的變化，控制器／驅動器會改變 MOSFET 的導通時間，同時根據需要向輸出端增減電流，以維持 (調節) 輸出電壓。MOSFET 在一個完整開／關週期中的導通時間 (百分比)，稱為工作週期。因此工作週期越高，可支援較高的負載電流。

同步降壓

當應用需要比非同步降壓更高的效率時，設計人員可以使用同步降壓轉換器，以同步 MOSFET 整流來取代肖特基二極體 (圖 2)。同步 MOSFET (S₂) 的導通電阻遠低於肖特基的電阻，因此可減少損耗並提高效率，但成本也較高。

但這種作法面臨了一個難題，現在有兩個 MOSFET 需要協同開啟和關閉。如果兩個 MOSFET 同時導通就會產生短路，導致輸入電壓直接接地，進而損壞或毀壞轉換器。若要加以防範，控制電路會變得更加複雜，比起非同步設計，將進一步增加成本與設計時間。

這個同步降壓控制電路會在兩次切換轉換之間產生「死區時間」，即兩個開關會短暫關閉一小段時間，避免同時導通。所幸設計人員現可使用整合了功率 MOSFET 以及產生降壓轉換所需之控制電路的電源 IC。

圖 2：以同步整流 MOSFET (S₂) 取代肖特基二極體的同步降壓轉換器拓撲結構。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

整合式降壓轉換器 IC

ROHM 的 BD9G500EFJ-LA (非同步) 和 BD9F500QUZ (同步) 裝置都是高度整合的降壓轉換器 IC，它們分別採用 HTSOP-J8 和 VMMP16LZ3030 封裝 (圖 3)。BD9G500EFJ-LA 的耐受電壓為 80 V，適用於 5G 基地台、伺服器及類似應用中的 48 V 電源匯流排。此外，它也適用於採用 60 V 匯流排的系統，例如電動腳踏車、電動工具、工廠自動化與 IoT 裝置等。BD9G500EFJ-LA 可提供高達 5 A 的輸出電流，並在 2 至 5 A 的輸出電流範圍下達到 85% 的轉換效率。其內建功能包括軟啟動、過電壓、過電流、熱關斷和欠壓鎖定保護。

圖 3：BD9G500EFJ-LA 非同步降壓轉換器 IC 採用 HTSOP-J8 封裝，BD9F500QUZ 同步降壓 IC 採用 VMMP16LZ3030 封裝。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

由於 BD9F500QUZ 同步降壓電源 IC 的崩潰電壓為 39 V，因此對於採用 24 V 電源匯流排的系統而言，設計人員可以用其來減少可編程邏輯控制器 (PLC) 和逆變器等工廠自動化系統中的安裝面積及元件數，進而降低系統成本。BD9F500QUZ 將解決方案尺寸減少大約 60%，且 2.2 MHz 的最大切換頻率允許使用者使用小的 1.5 μH 電感。這款同步降壓轉換器的工作效率可高達 90%，輸出電流達 3 A。

由於兼具高效率及熱效率封裝，其工作溫度約為 60°C，完全無需散熱，因而可節省空間、提高可靠性並降低成本。其內建功能包括輸出電容放電功能、過電壓、過電流、短路、熱關斷及欠壓鎖定保護。

挑選電感與電容

雖然 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 具有整合式功率 MOSFET，但設計人員仍需挑選最佳的輸出電感及電容，這兩者具有相關性。例如，為了讓電感和輸出電容達到最小組合尺寸，並讓輸出電壓漣波夠低，因此挑選最佳電感值非常重要。此外，暫態要求也很重要，其會隨系統而異。負載瞬態振幅、電壓偏差限制和電容阻抗，都會影響暫態效能和電容的挑選。

設計人員可以使用多種電容技術，而每一種技術在成本和效能上都有不同的取捨。一般來說，積層陶瓷晶片電容 (MLCC) 可用於降壓轉換器的輸出電容，但使用鋁電解電容或導電聚合物混合電解電容，對某些設計有幫助。

ROHM 簡化了電感和電容的挑選過程，其在上述電源 IC 的規格書中為設計人員提供了完整的應用範例電路，包括：

• 輸入電壓、輸出電壓、切換頻率和輸出電流
• 電路示意圖
• 建議的物料清單 (BOM) - 含有值、零件編號及製造商
• 工作波形

BD9G500EFJ-LA 有三個詳細的應用電路 (切換頻率皆為 200 kHz)，包括：

• 7 至 48 V_DC 輸入 (5.0 V_DC 輸出、5 A 電流)
• 7 至 36 V_DC 輸入 (3.3 V_DC 輸出、5 A 電流)
• 18 至 60 V_DC 輸入 (12 V_DC 輸出、5 A 電流)

BD9F500QUZ 有七個詳細的應用電路，包括：

• 12 至 24 V_DC 輸入 (3.3 V_DC 輸出、5 A 電流、1 MHz 切換頻率)
• 12 至 24 V_DC 輸入 (3.3 V_DC 輸出、5 A 電流、600 kHz 切換頻率)
• 5 V_DC 輸入 (3.3 V_DC 輸出、5 A 電流、1 MHz 切換頻率)
• 5 V_DC 輸入 (3.3 V_DC 輸出、5 A 電流、600 kHz 切換頻率)
• 12 V_DC 輸入 (1.0 V_DC 輸出、5 A 電流、1 MHz 切換頻率)
• 12 V_DC 輸入 (1.0 V_DC 輸出、5 A 電流、600 kHz 切換頻率)
• 12 V_DC 輸入 (3.3 V_DC 輸出、3 A 電流、2.2 MHz 切換頻率)

此外，ROHM 還為設計人員提供了相關應用說明，描述了「用於平滑切換式穩壓器輸出的電容類型及其注意事項」。

評估板加速設計流程

為進一步加速設計流程，ROHM 分別為 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 提供了 BD9G500EFJ-EVK-001 與 BD9F500QUZ-EVK-001 評估板 (圖 4)。

圖 4：BD9G500EFJ-EVK-001 (左) 和 BD9F500QUZ-EVK-001 (右) 評估板，分別用於 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 降壓轉換器 IC，可幫助設計人員迅速確保裝置滿足其要求。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

BD9G500EFJ-EVK-001 可藉由 48 V_DC 輸入產生 5 V_DC 輸出。BD9G500EFJ-LA 的輸入電壓範圍為 7 至 76 V_DC，輸出電壓可藉助外部電阻配置為 1 V_DC 至 0.97 x V_IN。此外，還可使用外部電阻將工作頻率設定為 100 至 650 kHz。

BD9F500QUZ-EVK-001 評估板可藉由 12 V_DC 輸入產生 1 V_DC 輸出。BD9F500QUZ 的輸入電壓範圍為 4.5 至 36 V_DC，輸出電壓可藉助外部電阻配置為 0.6 至 14 V_DC。此電源 IC 有三種切換頻率可供選擇：600 kHz、1 MHz 和 2.2 MHz。

電路板佈局注意事項

在使用 BD9G500EFJ-LA 和 BD9F500QUZ 時，通常應考慮以下電路板佈局注意事項：

1. 飛輪二極體和輸入電容，應和 IC 端子位於同一個電路板層且儘可能靠近 IC。
2. 應盡可能設置散熱通孔，以改善散熱效果。
3. 電感和輸出電容的位置應盡可能靠近 IC。
4. 讓返回路徑電路走線遠離雜訊源，例如電感和二極體。

更具體的佈局細節請見相應裝置的規格書以及 ROHM 有關「降壓轉換器 PCB 佈局技巧」的應用說明。

結論

如本文所述，在各種工廠自動化、IoT 和 5G 應用中，非同步與同步降壓轉換器可用於提供比線性穩壓器更高的轉換效率。雖然可以針對特定設計定制出客製化降壓轉換器，但卻非常複雜且耗時。

不過，設計人員可以選擇整合了功率 MOSFET 與控制及驅動電路的電源 IC，建立緊湊而具成本效益的解決方案。此外，設計人員還可以使用多種工具來加快產品上市時間，例如電容挑選及電路板佈局應用說明、詳細的應用範例電路和評估板等。

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