ROHM BD95861MUV同步降壓DC/DC轉換器評估板使用指南

一、引言

在電子設計領域，電源管理是至關重要的一環。ROHM的同步降壓DC/DC轉換器BD95861MUV為我們提供了一種高效、穩定的電源解決方案。本文將圍繞BD95861MUV評估板展開，詳細介紹其操作、評估步驟，以及相關的組件選擇、布局建議等內容，希望能為電子工程師們在實際設計中提供參考。

文件下載：BD95861MUV-EVK-101.pdf

二、評估板概述

2.1 基本信息

該評估板專為評估ROHM的BD95861MUV同步降壓DC/DC轉換器而開發。它能接受7.5 - 18V的寬電源輸入，可產生0.8V至5.5V的輸出電壓。IC內部集成了50mΩ的高端N溝道MOSFET和30mΩ的低端N溝道MOSFET，同步頻率范圍為500kHz至800kHz。

2.2 特性與保護功能

• 軟啟動電路：固定的軟啟動電路可防止啟動時的浪涌電流。
• 保護電路：具備UVLO（低壓錯誤預防電路）和TSD（熱關斷檢測）保護功能。
• 控制功能：EN引腳可實現IC的簡單開關控制，降低待機電流消耗。
• 狀態指示：具有開漏PGOOD_LED功能，用于操作指示，同時還具備OCP（過流保護）、SCP（短路保護）、OVP（過壓保護）功能。

2.3 應用領域

該評估板適用于多種設備，如LCD TVs、機頂盒（STB）、DVD/藍光播放器/錄像機、寬帶網絡和通信接口以及娛樂設備等。

三、評估板的操作限制和絕對最大額定值

四、評估板的操作步驟

1. 連接接地端：將電源的GND端子連接到評估板上的GND測試點TP3。
2. 連接電源輸入：將電源的VCC端子連接到評估板上的VIN測試點TP1，確保VCC在7.5V至18V的范圍內。
3. 檢查跳線狀態：檢查J1的分流跳線是否處于ON位置（Pin2連接到Pin1，IC U1的EN引腳默認拉高）。
4. 測量輸出電壓：連接負載后，可在評估板的測試點TP2測量輸出電壓VOUT（+5V），負載最大可增加到6A。

五、參考應用數據

評估板提供了一系列參考應用數據，包括熱插拔測試、電路靜態電流、效率、負載響應和輸出電壓紋波響應等。這些數據以圖表的形式呈現，直觀地展示了評估板在不同條件下的性能。

5.1 熱插拔測試

以圖4為例，展示了使用齊納二極管SMAJ15A，在VIN = 18V、VOUT = 5V、IOUT = 6A條件下的熱插拔測試結果。通過熱插拔測試，我們可以了解評估板在電源插拔過程中的穩定性和可靠性。工程師們可以思考，在實際應用中如何進一步優化熱插拔性能，以避免對設備造成損害。

5.2 電路靜態電流與電源電壓特性

圖5顯示了電路電流與電源電壓的特性關系（溫度為25°C）。這有助于我們了解評估板在不同電源電壓下的功耗情況，從而在設計中合理選擇電源參數，提高能源利用效率。

5.3 電力轉換效率

圖6展示了在VIN = 12V、VOUT = 5V條件下的電力轉換效率。高轉換效率意味著更少的能量損耗，對于提高設備的整體性能和延長電池壽命具有重要意義。工程師們可以根據這個數據，評估評估板在實際應用中的節能效果。

5.4 負載響應特性

圖7和圖8分別展示了在不同負載變化情況下（IOUT從0A到6A和從6A到0A）的負載響應特性。良好的負載響應能力可以確保在負載變化時，輸出電壓能夠快速穩定，保證設備的正常運行。

5.5 輸出電壓紋波響應特性

圖9和圖10展示了在不同負載條件下（IOUT = 0A和IOUT = 6A）的輸出電壓紋波響應特性。低紋波電壓可以提高電源的穩定性，減少對設備的干擾。工程師們可以根據這些數據，優化電路設計，降低輸出電壓紋波。

六、評估板布局指南

6.1 信號路徑與噪聲問題

布局是良好電源設計的關鍵部分。評估板中存在一些傳導快速變化電流或電壓的信號路徑，這些路徑可能會與雜散電感或寄生電容相互作用，產生噪聲或降低電源性能。為了消除這些問題，VCC引腳應使用具有B電介質的低ESR陶瓷旁路電容器接地。

6.2 電流環路

降壓調節器系統中存在兩個高脈沖電流流動環路：

• FET導通時的環路：從輸入電容器開始，經過VIN端子、SW端子、電感器、輸出電容器，然后通過GND返回輸入電容器。
• FET關斷時的環路：從低端FET開始，經過電感器、輸出電容器，然后通過GND返回低端FET。

為了降低噪聲并提高效率，應盡量減小這兩個環路的面積。輸入和輸出電容器應連接到GND（PGND）平面。

6.3 PCB布局設計注意事項

PCB布局設計會影響系統的熱性能、噪聲和效率。因此，在設計PCB布局模式時需要格外小心。例如，IC背面的散熱墊具有良好的熱傳導性能，應盡可能使用寬而大的GND平面來幫助散熱，同時使用大量的熱過孔將熱量擴散到不同的層。輸入電容器應盡可能靠近VIN端子連接到PGND，電感器和輸出電容器應盡可能靠近SW引腳放置。

對于在最大電壓條件（最大18V）下運行的應用，在電路板布局時需要考慮額外的散熱措施。評估板是一個4層板，僅用于評估目的。在最大條件下，IC的內部熱關斷檢測電路可能會啟動，輸出將被禁用，直到結溫下降。對于接近這些條件的最終設計，建議使用以下PCB選項之一來提高IC的散熱性能：

• 使用具有內部GND平面并連接到IC GND引腳的4層PCB。
• 使用帶有散熱器的2層PCB，散熱器連接到IC封裝。
• 使用帶有銅平面（>1oz）的2層PCB，銅平面連接到IC。

七、應用電路組件的計算

7.1 輸出LC濾波器選擇

7.1.1 電感器（L）選擇

輸出LC濾波器用于向輸出負載提供恒定電流。較大的電感值可以減少電感器紋波電流（ΔIL）和輸出紋波電壓，但會導致負載瞬態響應變慢、物理尺寸增大、飽和電流降低和串聯電阻增加。較小的電感值則具有相反的特性。電感紋波電流ΔIL的計算公式為： [ Delta I{L}=frac{(V{IN}-V{OUT}) times V{OUT}}{L times f times V_{IN}} quad[A] ]

電感器的飽和電流必須大于最大輸出電流（IOUTmax）和電感紋波電流的一半（ΔIL / 2）之和。選擇電感器時，應確保有足夠的余量，以保證峰值電流不超過電感器的飽和電流值。為了最小化電感器的損耗并提高效率，應選擇低電阻（DCR、ACR）的電感器。

7.1.2 輸出電容器（COUT）選擇

輸出電容器（COUT）對輸出電壓調節有很大影響，特別是在負載快速變化時和用于平滑輸出紋波電壓。選擇電容器時，應考慮電容值、等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。輸出紋波電壓的計算公式為： [ Delta VOUT = frac{Delta I{L}}{8 times C{OUT} times f} + ESR times Delta I{L} + ESL times frac{Delta I{L}}{Ton} quad[V] ]

同時，還應考慮輸出電容的條件，確保輸出上升時間在固定的軟啟動時間內建立。輸出電容的計算公式為： [ C{OUT} leq frac{1 msec times (I{OCP} - I{OUT})}{V{OUT}} quad[F] ]

請注意，不合適的輸出電容器可能會導致啟動故障。

7.2 輸入電容器（CIN）選擇

為了防止電壓瞬態尖峰，輸入電容器應具有足夠低的ESR電阻，以支持大的紋波電流。紋波電流IRMS的計算公式為： [ I{RMS} = I{OUT} times frac{sqrt{V{OUT} times (V{IN} - V{OUT})}}{V{IN}} quad[A] ]

當VIN = 2 × VOUT時，IRMS = IOUT / 2。建議使用低ESR電容器來減少ESR損耗并提高效率。

7.3 輸出電壓設置

IC通過控制REF = VFB來控制輸出電壓，但實際輸出電壓還會反映平均紋波電壓值。輸出電壓通過從輸出節點到FB引腳的電阻分壓器設置，計算公式為： [ Output Voltage = frac{R1 + R2}{R2} times REF + Delta VOUT quad[V] ]

其中，REF = VFB(TYP 0.8V) + 0.02 - (ON DUTY × 0.05)，ON DUTY = VOUT / VIN。

7.4 輸出電壓與導通時間的關系

BD95861MUV是一個控制恒定導通時間的同步降壓轉換器。導通時間（TON）取決于輸出電壓設置，計算公式為： [ Ton = 1770 times frac{V{OUT}}{V{IN}} - frac{610}{V_{IN}} + 55 [nsec] ]

應用條件的頻率可以通過以下公式確定： [ Frequency = frac{VOUT}{VIN} times frac{1}{Ton} ]

但在實際應用中，由于集成MOSFET的柵極電容和開關速度，SW存在上升和下降時間，可能會影響上述參數。因此，需要通過實驗驗證這些參數。

7.5 輸出電流與頻率的關系

BD95861MUV是一種恒定導通時間類型的開關調節器。當輸出電流增加時，電感器、MOSFET和輸出電容器的開關損耗也會增加，從而使開關頻率加快。

電感器、MOSFET和輸出電容器的損耗計算公式如下：

• 電感器損耗：( Loss of Inductor = IOUT^{2} times DCR )
• 高端MOSFET損耗：( Loss of MOSFET (High Side) = IOUT^{2} times R_{ONH} times frac{VOUT}{VIN} )
• 低端MOSFET損耗：( Loss of MOSFET (Low Side) = IOUT^{2} times R_{ONL} times (1 - frac{VOUT}{VIN}) )
• 輸出電容器損耗：( Loss of Output Capacitor = IOUT^{2} times ESR )

將上述損耗代入頻率方程，可得T（= 1 / Freq）的計算公式為： [ T(= 1 / Freq) = frac{VIN times IOUT times Ton}{VOUT times IOUT + (1) + (2) + (3) + (4)} [nsec] ]

由于實際應用中存在PCB布局圖案的寄生電阻，會影響參數，因此也需要通過實驗驗證。

八、評估板BOM

評估板的BOM（物料清單）列出了構建評估板所需的所有組件，包括零件編號和供應商參考。這為工程師們在實際設計中選擇合適的組件提供了參考。

九、注意事項

在使用該評估板和相關產品時，需要注意以下幾點：

• 未經ROHM Co., Ltd.同意，禁止部分或全部復制或再現本文件。
• 本文內容可能會在不通知的情況下進行改進和更改。
• 應用電路示例、電路常數等信息僅用于說明產品的標準用法和操作，在進行大規模生產電路設計時，需要考慮外圍條件。
• 雖然ROHM盡力確保文檔信息的準確性，但對于因信息不準確或印刷錯誤導致的任何損失，ROHM不承擔責任。
• 本文中的技術信息僅用于展示產品的典型功能和應用電路示例，ROHM不授予使用或行使知識產權或其他權利的許可，對于因使用這些技術信息引起的任何糾紛，ROHM不承擔責任。
• 本文中的產品適用于一般用途的電子設備，不具備輻射耐受性。
• 盡管ROHM努力提高產品的質量和可靠性，但產品可能因各種原因出現故障或故障。在使用產品的設備中，應實施安全措施，以防止因產品故障導致的人身傷害、火災或其他損壞。
• 產品不設計或制造用于需要極高可靠性的設備、裝置或系統，如醫療儀器、運輸設備、航空航天機械、核反應堆控制器、燃料控制器或其他安全設備。如果產品用于此類特殊目的，請在購買前聯系ROHM銷售代表。
• 如果打算出口或海外運輸本文中可能受外匯和外貿法控制的任何產品或技術，需要獲得相關許可證。

十、總結

ROHM的BD95861MUV同步降壓DC/DC轉換器評估板為電子工程師們提供了一個全面的電源解決方案評估平臺。通過本文的介紹，我們了解了評估板的基本信息、操作步驟、參考應用數據、布局指南以及應用電路組件的計算方法。在實際設計中，工程師們可以根據這些信息，結合具體需求，優化電源設計，提高產品的性能和可靠性。同時，也要注意遵守相關的注意事項，確保產品的正確使用和安全。希望本文能對電子工程師們在電源設計方面有所幫助。你在實際使用BD95861MUV評估板時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。