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来自工程师的声音

可从48V直接降压到3.3V的DC/DC转换器IC Part 1

能从48V直接降压到3.3V吗?

关键词
  • 最小导通时间
  • 9ns
  • 48V混合动力系统
  • BD9V100MUF-C
  • 占空比
  • 降压比高
  • AM波段
  • 2MHz
  • 安全余量

ROHM推出汽车和工业设备等中需求高涨的可将48V等高输入电压直接降至3.3V低电压的DC/DC转换器IC“BD9V100MUF-C”,现有的高耐压DC/DC转换器IC可输入超过48V的高电压,但绝大多数受降压比的限制,别说能降到3.3V就连5V的也不尽人意。BD9V100MUF-C将限制降压比的功率开关的最小导通时间缩短到业界最短的9ns,从而成功攻克了该课题。BD9V100MUF-C曾相继在2016年4月的“TECHNO-FRONTIER 2016”、“CEATEC JAPAN 2016”等展出,受到广泛关注。我们就其开发背景和特征采访了ROHM株式会社的应用工程师柴戸 孝信(Takanobu Shibako)先生。

-以“可从48V直接降压到3.3V的DC/DC转换器IC”为宣传语的“BD9V100MUF-C”,出展此前的CEATEC时受到了广泛关注。

是的,非常感谢大家的关注。从今年4月正式推出本产品以来,已经收到很多咨询。

-首先我注意到“从48V”这个电压值,请问具体是基于什么样的背景提出这个电压值的呢?

为避免误认为是“48V专用”,我先来解释一下。BD9V100MUF-C的最大额定输入电压为+70V,推荐工作电压为+60V。而关键要点是最小导通时间仅为业界最短的9ns。仅从规格方面看,可能给人“60V输入的”感觉吧。不过BD9V100MUF-C的开发背景之一是在汽车领域48V电源系统的混合动力车备受瞩目。

-就我个人而言,我首先联想到的是电信48V,原来是车载啊。

当然,也可支持电信48V,这也包括在目标应用中,但车载应用是ROHM的擅长领域之一,尤其对汽车节能格外关注。

-明白了。我们还是围绕主题谈吧,在高耐压DC/DC转换器的基础上,请您谈一下与汽车的48V混合动力系统之间的关联。

48V混合动力系统之所以备受瞩目,是因为与以往的12V系统相比燃油经济性更优异。该系统中48V是车载设备基本的供给电源。众所周知,车载设备电子电路的电源是5V和3.3V等低电压,因此以往的12V系统是从标称12V降压至5V或3.3V。作为DC/DC转换器,多使用车载级耐压40V左右的降压型DC/DC转换器。这样说来,48V系统就需要从48V降压至5V和3.3V。

-这样的话,以往使用的耐压40V左右的DC/DC转换器就不能再用了吧。可是,虽然种类并不是很多,还有耐压60V以上的降压转换器。ROHM应该也在不久前推出过80V耐压的降压转换器。

您是指“BD9G341AEFJ”吧。的确,仅涉及输入耐压的话,是有可48V输入的降压转换器IC的。可是,涉及到可从48V降压到特别是3.3V的话,因这些IC可支持的降压比的关系,基本上现有的DC/DC转换器IC中,无法以2MHz的振荡频率从48V直接降到3.3V。

-不是很明白“可支持的降压比”的含义,您能否解释一下?

降压型DC/DC转换器在开关的1个周期内,仅在开关导通时间将输入传送到输出来进行降压。简单地讲,就是将10V输入以50%的占空比、即按导通时间50%、关断时间50%进行开关,则输出变为一半(5V)。这样讲能明白吧?

-明白了。

では、那么,也应该明白要想将10V变为3.3V,导通时间只要按33%的占空比进行开关即可了吧。将这种相对于输入电压的输出电压比称为“降压比”,降下来的电压越大,表述为“降压比越高”。反过来表述的话,就是输出电压越小,降压比越高。前面提到的从48V到3.3V的降压,用占空比说的话是3.3V÷48V≒6.9%,因此降压约93%,一般来讲可以说是非常高的降压比了。

-原来如此。这样说来,可以说现有的降压转换器IC是无法以这个降压比、也就是这个占空比工作的对吗?

从结论上讲的确如此。一般相对于输入可降下来的最小电压可通过公式来表示。

最小占空比=开关频率×最小导通时间
可降最小输出电压=输入电压×最小占空比

其中,“最小导通时间”是指降压转换器IC可控制的最短导通时间。功率开关是晶体管,因此开/关工作需要时间。另外,决定开关占空比的内部的反馈及控制电路受延迟和噪声干扰等影响,也有控制极限。这些因素决定实际的最小导通时间、即最小导通时间的实力。换言之,降压转换器IC的最小导通时间是IC的性能之一,因此虽然不是百分之百但一般都会在技术规格书中提供这个数据。

我们在公式中填入示例数字看一下。假设开关频率为600kHz,最小导通时间为200ns,则

最小占空比=600kHz×200ns=0.12(12%)
可降最小输出电压=48V×0.12=5.76V

这个性能的转换器的话,如果是48V输入则降压极限是不到5.8V。顺便提一下,如果是12V输入则降压极限是1.44V,因此这个规格也可以满足绝大多数输出电压要求。

-BD9V100MUF-C的另一个关键词是“最小导通时间9ns”,宣传说最小占空比更小,因此可支持较高的降压比。

那么我们在刚才的公式中填入9ns看一下。

最小占空比=600kHz×9ns=0.0054(0.54%)
可降最小输出电压=48V×0.0054=0.2592V

按照计算是这样的,虽然实际上无法产生低于转换器IC内部基准电压例如0.8V的输出电压,但可降到转换器IC的最小输出电压。

-看公式时才注意到,例如将开关频率降到300kHz时,这个条件下是否可以实现3.3V呢?

最小占空比=300kHz×200ns=0.06(6%)
可降最小输出电压=48V×0.06=2.88V

是的。的确,降低频率是降压比较高时的处理方法之一。

-这样不行吗?

“车载”这个环境条件是关键点。汽车配有收音机,AM波段使用到1.84MHz的频率。开关电源的振荡频率如果在1.84MHz以下则会与AM波段干涉,因此要求达到2MHz以上的开关频率。如文本最前面所述,BD9V100MUF-C的一大目标市场就是车载领域,因此目标就是能够实现“开关频率2MHz以上,从48V直接降压到3.3V”。

实际计算一下结果如下:

最小占空比=2MHz×9ns=0.018(1.8%)
可降最小输出电压=48V×0.018=0.864V

进一步讲,48V是标称电压,因此当然需要余量。在48V混合动力市场,最大输入电压要求60V,填入公式后结果如下:

可降最小输出电压=60V×0.018=1.08V

另外,如果是3.3V输出,输入最大可以是多少呢,通过逆运算得出3.3V÷0.018=183V。但是,BD9V100MUF-C的额定输入是70V,推荐工作电压为最大60V,因此实际上是60V。

-实际上现有的转换器IC的最小导通时间大概是多少?

这里有数据,请看数据。最小导通时间以外是类似降压型DC/DC转换器IC的比较。

  ROHM/BD9V100MUF-C A公司 B公司 C公司
最小导通时间 9ns 30ns 80ns 80ns
最小占空比 @fsw=2MHz 0.018(1.8%) 0.06(6%) 0.16(16%) 0.16(16%)
可降最小输出电压 @Vin=60V 1.08V 3.6V 9.6V 9.6V
最大输入电压 @Vout=3.3V
市场需求:60V
60V
(最大工作电压)
55V 20.6V 20.6V

在这个调查结果中,其他公司产品的最小导通时间最短也要30ns,通过计算看距离市场需求还稍微差一点。当然也有人认为可以勉强使用,但考虑到安全余量的话,风险还是很高的。而BD9V100MUF-C则具有充分的余量,并具有满足市场需求的性能。

(接Part 2)

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