電源設計技術資訊網站

電源設計支援工具   English   简体中文   日本語   한국어

直接洽詢工程師

可從48V直接降壓到3.3V的DC/DC轉換IC Part 1

能從48V直接降壓到3.3V嗎?

Keyword
  • 最小導通時間
  • 9ns
  • 48V複合動力系統
  • BD9V100MUF-C
  • 占空比
  • 降壓比高
  • AM波段
  • 2MHz
  • 寬裕量

ROHM推出汽車和工業設備等中需求高漲的可將48V等高輸入電壓直接降至3.3V低電壓的DC/DC轉換IC“BD9V100MUF-C”,現有的高耐壓DC/DC轉換IC可輸入超過48V的高電壓,但絕大多數受降壓比的限制,別說能降到3.3V就連5V的也不盡人意。BD9V100MUF-C將限制降壓比的功率開關的最小導通時間縮短到業界最短的9ns,從而成功攻克了該課題。BD9V100MUF-C曾相繼在2016年4月的“TECHNO-FRONTIER 2016”、“CEATEC JAPAN 2016”等展出,受到廣泛關注。我們就其研發背景和特長採訪了ROHM株式會社的應用工程師柴戸 孝信(Takanobu Shibako)先生。

-以“可從48V直接降壓到3.3V的DC/DC轉換IC”為宣傳語的“BD9V100MUF-C”,出展此前的CEATEC時受到了廣泛關注。

是的,非常感謝大家的關注。從今年4月正式推出本產品以來,已經收到很多諮詢。

-首先我注意到“從48V”這個電壓值,請問具體是基於什麼樣的背景提出這個電壓值的呢?

為避免誤認為是“48V專用”,我先來解釋一下。BD9V100MUF-C的最大額定輸入電壓為+70V,推薦工作電壓為+60V。而關鍵要點是最小導通時間僅為業界最短的9ns。僅從規格方面看,可能給人“60V輸入的”感覺吧。不過BD9V100MUF-C的研發背景之一是在汽車領域48V電源系統的複合動力車備受矚目。

-就我個人而言,我首先聯想到的是電信48V,原來是車載啊。

當然,也可支援電信48V,這也包括在目標應用中,但車載應用是ROHM的擅長領域之一,尤其對汽車省能源格外關注。

-瞭解了。我們還是圍繞主題談吧,在高耐壓DC/DC轉換器的基礎上,請您談一下與汽車的48V複合動力系統之間的關聯。

48V複合動力系統之所以備受矚目,是因為與傳統的12V系統相比燃油經濟性更優異。該系統中48V是車載設備基本的供給電源。眾所周知,車載設備電子電路的電源是5V和3.3V等低電壓,因此傳統的12V系統是從標稱12V降壓至5V或3.3V。作為DC/DC轉換器,多使用車載級耐壓40V左右的降壓型DC/DC轉換器。這樣說來,48V系統就需要從48V降壓至5V和3.3V。

-這樣的話,傳統使用的耐壓40V左右的DC/DC轉換器就不能再用了吧。可是,雖然種類並不是很多,還有耐壓60V以上的降壓轉換器。ROHM應該也在不久前推出過80V耐壓的降壓轉換器。

您是指“BD9G341AEFJ”吧。的確,僅涉及輸入耐壓的話,是有可48V輸入的降壓轉換IC的。可是,涉及到可從48V降壓到特別是3.3V的話,因這些IC可支援的降壓比的關係,基本上現有的DC/DC轉換IC中,無法以2MHz的振盪頻率從48V直接降到3.3V。

-不是很明白“可支援的降壓比”的含義,您能否解釋一下?

降壓型DC/DC轉換器在開關的1個週期內,僅在開關導通時間將輸入傳送到輸出來進行降壓。簡單地講,就是將10V輸入以50%的占空比、即按導通時間50%、關斷時間50%進行開關,則輸出變為一半(5V)。這樣講能明白吧?

-瞭解。

那麼,也應該明白要想將10V變為3.3V,導通時間只要按33%的占空比進行開關即可了吧。將這種相對於輸入電壓的輸出電壓比稱為“降壓比”,降下來的電壓越大,表述為“降壓比越高”。反過來表述的話,就是輸出電壓越小,降壓比越高。前面提到的從48V到3.3V的降壓,用占空比說的話是3.3V÷48V≒6.9%,因此降壓約93%,一般來講可以說是非常高的降壓比了。

-原來如此。這樣說來,可以說現有的降壓轉換IC是無法以這個降壓比、也就是這個占空比工作的對嗎?

從結論上講的確如此。一般相對於輸入可降下來的最小電壓可通過公式來表示。

最小占空比=開關頻率×最小導通時間
可降最小輸出電壓=輸入電壓×最小占空比

其中,“最小導通時間”是指降壓轉換IC可控制的最短導通時間。功率開關是電晶體,因此開/關工作需要時間。另外,決定開關占空比的內部的回饋及控制電路受延遲和雜訊干擾等影響,也有控制極限。這些因素決定實際的最小導通時間、即最小導通時間的實力。換言之,降壓轉換IC的最小導通時間是IC的性能之一,因此雖然不是百分之百但一般都會在技術規格書中提供這個資料。

我們在公式中填入示例數位看一下。假設開關頻率為600kHz,最小導通時間為200ns,則

最小占空比=600kHz×200ns=0.12(12%)
可降最小輸出電壓=48V×0.12=5.76V

這個性能的轉換器的話,如果是48V輸入則降壓極限是不到5.8V。順便提一下,如果是12V輸入則降壓極限是1.44V,因此這個規格也可以滿足絕大多數輸出電壓要求。

-BD9V100MUF-C的另一個關鍵字是“最小導通時間9ns”,宣傳說最小占空比更小,因此可支援較高的降壓比。

那麼我們在剛才的公式中填入9ns看一下。

最小占空比=600kHz×9ns=0.0054(0.54%)
可降最小輸出電壓=48V×0.0054=0.2592V

按照計算是這樣的,雖然實際上無法產生低於轉換IC內部基準電壓例如0.8V的輸出電壓,但可降到轉換IC的最小輸出電壓。

-看公式時才注意到,例如將開關頻率降到300kHz時,這個條件下是否可以實現3.3V呢?

最小占空比=300kHz×200ns=0.06(6%)
可降最小輸出電壓=48V×0.06=2.88V

是的。的確,降低頻率是降壓比較高時的處理方法之一。

-這樣不行嗎?

“車載”這個環境條件是關鍵點。汽車配有收音機,AM波段使用到1.84MHz的頻率。開關電源的振盪頻率如果在1.84MHz以下則會與AM波段干涉,因此要求達到2MHz以上的開關頻率。如文本最前面所述,BD9V100MUF-C的一大目標市場就是車載領域,因此目標就是能夠實現“開關頻率2MHz以上,從48V直接降壓到3.3V”。

實際計算一下結果如下:

最小占空比=2MHz×9ns=0.018(1.8%)
可降最小輸出電壓=48V×0.018=0.864V

進一步講,48V是標稱電壓,因此當然需要餘量。在48V複合動力市場,最大輸入電壓要求60V,填入公式後結果如下:

可降最小輸出電壓=60V×0.018=1.08V

另外,如果是3.3V輸出,輸入最大可以是多少呢,通過逆運算得出3.3V÷0.018=183V。但是,BD9V100MUF-C的額定輸入是70V,推薦工作電壓為最大60V,因此實際上是60V。

-實際上現有的轉換IC的最小導通時間大概是多少?

這裡有資料,請看資料。最小導通時間以外是類似降壓型DC/DC轉換IC的比較。

  ROHM/BD9V100MUF-C A公司 B公司 C公司
最小導通時間 9ns 30ns 80ns 80ns
最小占空比 @fsw=2MHz 0.018(1.8%) 0.06(6%) 0.16(16%) 0.16(16%)
可降最小輸出電壓 @Vin=60V 1.08V 3.6V 9.6V 9.6V
最大輸入電壓 @Vout=3.3V
市場需求:60V
60V
(最大工作電壓)
55V 20.6V 20.6V

在這個調查結果中,其他公司產品的最小導通時間最短也要30ns,通過計算看距離市場需求還稍微差一點。當然也有人認為可以勉強使用,但考慮到寬裕量的話,風險還是很高的。而BD9V100MUF-C則具有充分的餘量,並具有滿足市場需求的性能。

(接Part 2)

Power SupplyIC Technical Materials Free Download