深入剖析BD9E100FJ-LB：7.0V - 36V輸入、1.0A集成MOSFET同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器是電源管理的關(guān)鍵組件。ROHM的BD9E100FJ-LB作為一款7.0V至36V輸入、1.0A集成MOSFET的單同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，憑借其高性能和豐富的保護(hù)功能，在工業(yè)設(shè)備和消費(fèi)應(yīng)用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文將對BD9E100FJ-LB進(jìn)行詳細(xì)剖析，包括其關(guān)鍵規(guī)格、功能特性、應(yīng)用電路以及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)等方面，為電子工程師在實(shí)際設(shè)計(jì)中提供參考。

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關(guān)鍵規(guī)格與特性

基本參數(shù)

• 輸入輸出電壓范圍：輸入電壓范圍為7.0V至36V，輸出電壓范圍為1.0V至VIN×0.7V，能夠滿足多種不同的電源需求。
• 輸出電流：最大輸出電流可達(dá)1.0A，可支持一定功率的負(fù)載。
• 開關(guān)頻率：典型開關(guān)頻率為1MHz，在使用小電感值的情況下仍能保持高效運(yùn)行。
• MOSFET導(dǎo)通電阻：高端和低端MOSFET的導(dǎo)通電阻典型值均為300mΩ，有助于降低功耗。
• 待機(jī)電流：典型待機(jī)電流為0μA，可有效節(jié)省能源。
• 封裝形式：采用SOP - J8封裝，尺寸為4.90mm x 6.00mm x 1.65mm，便于安裝和布局。

特性亮點(diǎn)

• 長期支持：專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)，保證長期供應(yīng)，適合對產(chǎn)品穩(wěn)定性和壽命要求較高的工業(yè)設(shè)備。
• 同步單DC/DC轉(zhuǎn)換：采用同步整流技術(shù)，提高轉(zhuǎn)換效率。
• 多重保護(hù)功能：具備過流保護(hù)（OCP）、短路保護(hù)（SCP）、熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）、欠壓鎖定保護(hù)（UVLO）和過壓保護(hù)（OVP）等功能，有效保障設(shè)備安全運(yùn)行。
• 軟啟動功能：防止輸出電壓過沖和浪涌電流，避免啟動時(shí)對電路造成沖擊。

引腳配置與功能

引腳說明

功能描述

• 使能控制：通過EN端子的電壓控制IC的啟動和關(guān)斷。當(dāng)EN電壓達(dá)到2.5V（典型值）時(shí)，內(nèi)部電路激活，IC啟動；將EN的關(guān)斷間隔（低電平間隔）設(shè)置為100μs或更長，可實(shí)現(xiàn)EN端子的關(guān)斷控制。
• 保護(hù)功能
  • 短路保護(hù)（SCP）：比較FB端子電壓與內(nèi)部參考電壓VREF，當(dāng)FB端子電壓低于0.85V（典型值）并持續(xù)1.0msec（典型值）時(shí)，SCP激活，停止運(yùn)行16msec（典型值）后重啟。
  • 欠壓鎖定保護(hù)（UVLO）：監(jiān)測VIN端子電壓，當(dāng)VIN端子電壓為6.4V（典型值）或更低時(shí)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，6.6V（典型值）或更高時(shí)開始運(yùn)行。
  • 熱關(guān)斷保護(hù)（TSD）：當(dāng)芯片溫度超過175°C（典型值）時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出停止，防止芯片因過熱而損壞。
  • 過流保護(hù)（OCP）：采用電流模式控制，限制開關(guān)頻率每個(gè)周期內(nèi)流經(jīng)高端MOSFET的電流。
  • 反向電流保護(hù)（RCP）：采用電流模式控制，限制開關(guān)頻率每個(gè)周期內(nèi)流經(jīng)低端MOSFET的電流。
  • 過壓保護(hù)（OVP）：比較FB端子電壓與內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電壓VREF，當(dāng)FB端子電壓超過1.30V（典型值）時(shí)，關(guān)閉輸出MOSFET；當(dāng)輸出電壓下降到滯后值時(shí)，恢復(fù)正常運(yùn)行。

典型應(yīng)用電路與性能曲線

應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路中，需要合理選擇外部元件，如輸入電容CIN、自舉電容CBOOT、電感L、輸出電容COUT以及反饋電阻R1和R2等。不同的輸入輸出電壓組合，推薦的元件值也有所不同。例如，當(dāng)VIN = 12V，VOUT = 3.3V時(shí)，CIN推薦為10μF，CBOOT為0.1μF，L為6.8μH，R1為6.8kΩ，R2為3.0kΩ等。

性能曲線

文檔中給出了一系列典型性能曲線，包括工作電流與結(jié)溫的關(guān)系、待機(jī)電流與結(jié)溫的關(guān)系、FB電壓參考與結(jié)溫的關(guān)系、開關(guān)頻率與結(jié)溫的關(guān)系等。這些曲線有助于工程師了解芯片在不同溫度和工作條件下的性能表現(xiàn)，為設(shè)計(jì)提供參考。例如，從工作電流與結(jié)溫的曲線可以看出，隨著溫度的升高，工作電流會有所變化，工程師可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景評估芯片的功耗和散熱需求。

外部元件選擇

輸出LC濾波器

• 電感選擇：電感的選擇需要在紋波電流和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)之間進(jìn)行權(quán)衡。選擇大電感值可減小流入電感的紋波電流?IL，降低輸出電壓的紋波電壓，但會影響負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性；選擇小電感值可改善瞬態(tài)響應(yīng)特性，但會增大電感紋波電流，增加輸出電壓的紋波電壓。一般建議選擇電感的紋波電流分量為平均輸出電流（平均電感電流）的20%至50%。同時(shí)，電感的飽和電流應(yīng)大于最大輸出電流加上1/2的電感紋波電流?IL。
• 輸出電容選擇：輸出電容COUT會影響輸出紋波電壓特性，應(yīng)選擇能夠滿足必要紋波電壓特性的電容。輸出紋波電壓可通過公式(Delta V{RPL}=Delta I{L} timesleft(R{ESR}+frac{1}{8 × C{OUT} × F{OSC}}right))計(jì)算，其中(Delta I{L})為電感紋波電流，(R{ESR})為電容的等效串聯(lián)電阻，(C{OUT})為輸出電容，(F_{OSC})為開關(guān)頻率。

輸出電壓設(shè)置

輸出電壓值可通過反饋電阻比設(shè)置，公式為(V{OUT}=frac{R{1}+R{2}}{R{2}} × 1.0[V])。同時(shí)，需要注意BD9E100FJ - LB輸出穩(wěn)定產(chǎn)生的最小脈沖范圍為150nsec，應(yīng)使用滿足(150(nsec) leq frac{V{OUT}}{V{IN} × F_{osc}})的輸入輸出條件。

輸入電壓啟動

軟啟動功能設(shè)計(jì)使得輸出電壓根據(jù)內(nèi)部設(shè)定時(shí)間啟動。UVLO釋放后，軟啟動操作時(shí)輸出電壓范圍應(yīng)小于輸入電壓的70%。啟動后軟啟動的輸入電壓應(yīng)滿足(V{IN} geq frac{V{OUT} × 0.85}{0.7}[V])。

相位補(bǔ)償

• 相位補(bǔ)償電阻選擇：電流模式控制的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器是一個(gè)兩極、一零點(diǎn)系統(tǒng)。相位補(bǔ)償電阻(R{CMP})決定了DC/DC轉(zhuǎn)換器總環(huán)路增益為0 dB的交叉頻率(F{CRS})。較高的交叉頻率(F{CRS})可提供良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性，但穩(wěn)定性較差；較低的交叉頻率(F{CRS})可大大穩(wěn)定特性，但負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性會受損。(R{CMP})可通過公式(R{CMP}=frac{2 pi × V{OUT} × F{CRS} × C{OUT}}{V{FB} × G{MP} × G{MA}}[Omega])計(jì)算。
• 相位補(bǔ)償電容選擇：為使DC/DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定運(yùn)行，在零交叉頻率的1/6以下插入一個(gè)零點(diǎn)，可抵消負(fù)載形成的極點(diǎn)引起的相位延遲，提供良好的特性。相位補(bǔ)償電容(C{CMP})可通過公式(C{CMP}=frac{1}{2 pi × R{CMP} × F{Z}}[F])計(jì)算。
• 環(huán)路穩(wěn)定性：為確保DC/DC轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性，應(yīng)保證足夠的相位裕度，建議在最壞條件下相位裕度至少為45度。前饋電容(C{RUP})與電阻(R{UP})一起形成零點(diǎn)，可在有限頻率范圍內(nèi)增加相位裕度。

PCB布局設(shè)計(jì)

在降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器中，有兩個(gè)環(huán)路會流過較大的脈沖電流。第一個(gè)環(huán)路是高端FET導(dǎo)通時(shí)的電流路徑，從輸入電容CIN開始，經(jīng)過FET、電感L和輸出電容COUT，再通過COUT的接地端回到CIN的接地端；第二個(gè)環(huán)路是低端FET導(dǎo)通時(shí)的電流路徑，從低端FET開始，經(jīng)過電感L和輸出電容COUT，再通過COUT的接地端回到低端FET的接地端。為了降低噪聲、提高效率，應(yīng)盡可能將這兩個(gè)環(huán)路的走線設(shè)計(jì)得粗而短。具體的PCB布局設(shè)計(jì)建議如下：

• 輸入電容：應(yīng)盡可能靠近VIN端子，并與IC在同一平面上。
• 接地平面：若PCB上有未使用的區(qū)域，可設(shè)置銅箔平面作為接地節(jié)點(diǎn)，有助于IC和周圍組件的散熱。
• 開關(guān)節(jié)點(diǎn)：如SW等開關(guān)節(jié)點(diǎn)容易受到與其他節(jié)點(diǎn)的交流耦合噪聲影響，應(yīng)將其到電感的走線設(shè)計(jì)得粗而短。
• 反饋和補(bǔ)償線路：連接FB和COMP的線路應(yīng)盡量遠(yuǎn)離SW節(jié)點(diǎn)。
• 輸出電容：應(yīng)遠(yuǎn)離輸入電容，以避免輸入諧波噪聲的影響。

功率耗散與操作注意事項(xiàng)

功率耗散

在設(shè)計(jì)PCB布局和外圍電路時(shí)，必須充分考慮功率耗散，確保其在允許的耗散曲線范圍內(nèi)。功率耗散與溫度有關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度超過25°C時(shí)，需進(jìn)行降額處理，降額系數(shù)為5.36 mW/°C（安裝在1層70.0mm x 70.0mm x 1.6mm的電路板上）。

操作注意事項(xiàng)

• 電源反接：電源極性反接可能會損壞IC，連接電源時(shí)應(yīng)采取預(yù)防措施，如在電源和IC的電源端子之間安裝外部二極管。
• 電源線：設(shè)計(jì)PCB布局時(shí)應(yīng)提供低阻抗的電源線，將數(shù)字和模擬塊的接地和電源線分開，以防止數(shù)字塊的噪聲影響模擬塊。同時(shí)，在所有電源引腳處連接電容，并考慮電解電容的溫度和老化對電容值的影響。
• 接地電壓：確保任何時(shí)候引腳電壓都不低于接地引腳電壓，即使在瞬態(tài)條件下也應(yīng)如此。
• 接地布線模式：使用小信號和大電流接地走線時(shí)，應(yīng)將兩者分開布線，并在應(yīng)用板的參考點(diǎn)連接到單個(gè)接地，以避免大電流引起小信號接地的波動。同時(shí)，確保外部組件的接地走線不會導(dǎo)致接地電壓的變化，接地線路應(yīng)盡量短而粗，以降低線路阻抗。
• 熱考慮：如果功率耗散額定值超過規(guī)定值，芯片溫度升高可能會導(dǎo)致芯片性能下降。本規(guī)格書中規(guī)定的Pd絕對最大額定值是在IC安裝在70mm x 70mm x 1.6mm的玻璃環(huán)氧板上時(shí)的值。若超過該絕對最大額定值，應(yīng)增加電路板尺寸和銅面積，以防止超過Pd額定值。
• 推薦工作條件：這些條件代表了IC能夠大致獲得預(yù)期特性的范圍，電氣特性在每個(gè)參數(shù)的條件下得到保證。
• 浪涌電流：首次給IC供電時(shí)，由于內(nèi)部供電順序和延遲，內(nèi)部邏輯可能不穩(wěn)定，可能會瞬間產(chǎn)生浪涌電流，尤其是IC有多個(gè)電源時(shí)。因此，應(yīng)特別考慮電源耦合電容、電源布線、接地布線寬度和連接路由。
• 強(qiáng)電磁場下的操作：在強(qiáng)電磁場環(huán)境下操作IC可能會導(dǎo)致IC故障。
• 應(yīng)用板測試：在應(yīng)用板上測試IC時(shí)，直接將電容連接到低阻抗輸出引腳可能會對IC造成壓力。每次測試過程或步驟結(jié)束后，應(yīng)完全放電電容。在檢查過程中，連接或移除IC之前，應(yīng)始終完全關(guān)閉IC的電源。為防止靜電放電損壞，組裝時(shí)應(yīng)將IC接地，并在運(yùn)輸和存儲過程中采取類似的預(yù)防措施。
• 引腳短路和安裝錯誤：將IC安裝在PCB上時(shí)，應(yīng)確保方向和位置正確，錯誤的安裝可能會損壞IC。應(yīng)避免相鄰引腳相互短路，特別是與接地、電源和輸出引腳短路。引腳短路可能由多種原因引起，如金屬顆粒、水滴（在非常潮濕的環(huán)境中）以及組裝過程中引腳之間意外形成的焊橋等。
• 未使用的輸入端子：IC的輸入引腳通常連接到MOS晶體管的柵極，柵極具有極高的阻抗和極低的電容。如果未連接，外部電場很容易對其充電，這種小電荷足以對晶體管的導(dǎo)通產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致IC意外操作。因此，除非另有規(guī)定，未使用的輸入引腳應(yīng)連接到電源或接地線。
• IC輸入引腳：該單片IC在相鄰元件之間包含P +隔離和P襯底層，以保持它們的隔離。P層與其他元件的N層相交處會形成P - N結(jié)，產(chǎn)生寄生二極管或晶體管。應(yīng)避免使這些二極管工作的條件，如向輸入引腳（以及P襯底）施加低于GND電壓的電壓。
• 陶瓷電容：使用陶瓷電容時(shí)，應(yīng)考慮電容隨溫度的變化以及直流偏置等因素導(dǎo)致的標(biāo)稱電容減小，來確定介電常數(shù)。
• 安全操作區(qū)域（ASO）：應(yīng)確保IC的輸出電壓、輸出電流和功率耗散都在安全操作區(qū)域（ASO）內(nèi)。
• 熱關(guān)斷電路（TSD）：該IC內(nèi)置熱關(guān)斷電路，可防止IC因過熱損壞。正常操作應(yīng)始終在IC的功率耗散額定值范圍內(nèi)。如果超過額定值持續(xù)一段時(shí)間，結(jié)溫（Tj）會升高，激活TSD電路，關(guān)閉所有輸出引腳。當(dāng)Tj降至TSD閾值以下時(shí)，電路自動恢復(fù)正常運(yùn)行。需要注意的是，TSD電路是在超過絕對最大額定值的情況下工作的，因此，絕不能將TSD電路用于設(shè)定設(shè)計(jì)或除保護(hù)IC免受熱損壞之外的任何目的。
• 過流保護(hù)電路（OCP）：該IC集成了過流保護(hù)電路，當(dāng)負(fù)載短路時(shí)激活。該保護(hù)電路可有效防止突發(fā)和意外事件造成的損壞，但I(xiàn)C不應(yīng)用于保護(hù)電路連續(xù)運(yùn)行或過渡的應(yīng)用中。

訂購信息與注意事項(xiàng)

訂購信息

BD9E100FJ - LB有不同的產(chǎn)品編號和包裝規(guī)格可供選擇，如BD9E100FJ - LB - H2采用SOP - J8封裝，適用于工業(yè)應(yīng)用，包裝為壓紋帶和18cm卷軸，數(shù)量為250pcs；BD9E100FJ - LB - E2同樣采用SOP - J8封裝，適用于工業(yè)應(yīng)用，包裝為壓紋帶和32.8cm卷軸，數(shù)量為2500pcs。

注意事項(xiàng)

使用ROHM產(chǎn)品時(shí)，需要注意以下方面：

• 特殊應(yīng)用：如果打算在對可靠性要求極高的設(shè)備（如醫(yī)療設(shè)備、飛機(jī)/航天器、核動力控制器等）中使用產(chǎn)品，且設(shè)備故障可能導(dǎo)致人員傷亡或財(cái)產(chǎn)嚴(yán)重?fù)p失，應(yīng)提前咨詢ROHM銷售代表。除非ROHM事先書面同意，否則ROHM對因使用產(chǎn)品用于特殊應(yīng)用而導(dǎo)致的任何損害、費(fèi)用或損失不承擔(dān)任何責(zé)任。
• 安全措施：雖然ROHM產(chǎn)品經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制設(shè)計(jì)和制造，但半導(dǎo)體產(chǎn)品仍可能以一定概率出現(xiàn)故障或失效。用戶應(yīng)自行承擔(dān)實(shí)施適當(dāng)安全措施的責(zé)任，如安裝保護(hù)電路或其他保護(hù)設(shè)備以提高系統(tǒng)安全性，安裝冗余電路以減少單電路或多電路故障的影響。
• 特殊環(huán)境使用：產(chǎn)品未針對特殊或極端環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如在液體、戶外、暴露于陽光或灰塵、海風(fēng)或腐蝕性氣體、靜電或電磁波、靠近發(fā)熱組件或易燃物品、密封或涂層、未清潔助焊劑殘留或使用水溶性清潔劑清洗、有結(jié)露的環(huán)境中使用。如果打算在這些特殊環(huán)境條件下使用產(chǎn)品，在使用前必須獨(dú)立驗(yàn)證和確認(rèn)產(chǎn)品的性能、可靠性等。
• 輻射防護(hù)：產(chǎn)品未進(jìn)行防輻射設(shè)計(jì)。
• 產(chǎn)品驗(yàn)證：使用產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)驗(yàn)證和確認(rèn)最終或安裝產(chǎn)品的特性。特別是在施加瞬態(tài)負(fù)載（如脈沖等短時(shí)間內(nèi)施加大量負(fù)載）時(shí)，強(qiáng)烈建議在板載安裝后確認(rèn)性能特性。避免施加超過正常額定功率的功率，在穩(wěn)態(tài)負(fù)載條件下超過功率額定值可能會對產(chǎn)品性能和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。
• 功率降額：根據(jù)環(huán)境溫度（Ta）對功率耗散（Pd）進(jìn)行降額。在密封區(qū)域使用時(shí)，應(yīng)確認(rèn)實(shí)際環(huán)境溫度。