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

引言

在電子設計領域，DC/DC轉換器是電源管理的關鍵組件。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轉換器，憑借其高性能和豐富的保護功能，在工業設備和消費應用等領域具有廣泛的應用前景。本文將對BD9E100FJ-LB進行詳細剖析，包括其關鍵規格、功能特性、應用電路以及設計注意事項等方面，為電子工程師在實際設計中提供參考。

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關鍵規格與特性

基本參數

• 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1.0A，可支持一定功率的負載。
• 開關頻率：典型開關頻率為1MHz，在使用小電感值的情況下仍能保持高效運行。
• MOSFET導通電阻：高端和低端MOSFET的導通電阻典型值均為300mΩ，有助于降低功耗。
• 待機電流：典型待機電流為0μA，可有效節省能源。
• 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

• 長期支持：專為工業應用設計，保證長期供應，適合對產品穩定性和壽命要求較高的工業設備。
• 同步單DC/DC轉換：采用同步整流技術，提高轉換效率。
• 多重保護功能：具備過流保護（OCP）、短路保護（SCP）、熱關斷保護（TSD）、欠壓鎖定保護（UVLO）和過壓保護（OVP）等功能，有效保障設備安全運行。
• 軟啟動功能：防止輸出電壓過沖和浪涌電流，避免啟動時對電路造成沖擊。

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的啟動和關斷。當EN電壓達到2.5V（典型值）時，內部電路激活，IC啟動；將EN的關斷間隔（低電平間隔）設置為100μs或更長，可實現EN端子的關斷控制。
• 保護功能
  • 短路保護（SCP）：比較FB端子電壓與內部參考電壓VREF，當FB端子電壓低于0.85V（典型值）并持續1.0msec（典型值）時，SCP激活，停止運行16msec（典型值）后重啟。
  • 欠壓鎖定保護（UVLO）：監測VIN端子電壓，當VIN端子電壓為6.4V（典型值）或更低時進入待機狀態，6.6V（典型值）或更高時開始運行。
  • 熱關斷保護（TSD）：當芯片溫度超過175°C（典型值）時，DC/DC轉換器輸出停止，防止芯片因過熱而損壞。
  • 過流保護（OCP）：采用電流模式控制，限制開關頻率每個周期內流經高端MOSFET的電流。
  • 反向電流保護（RCP）：采用電流模式控制，限制開關頻率每個周期內流經低端MOSFET的電流。
  • 過壓保護（OVP）：比較FB端子電壓與內部標準電壓VREF，當FB端子電壓超過1.30V（典型值）時，關閉輸出MOSFET；當輸出電壓下降到滯后值時，恢復正常運行。

典型應用電路與性能曲線

應用電路

典型應用電路中，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VIN = 12V，VOUT = 3.3V時，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，包括工作電流與結溫的關系、待機電流與結溫的關系、FB電壓參考與結溫的關系、開關頻率與結溫的關系等。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，為設計提供參考。例如，從工作電流與結溫的曲線可以看出，隨著溫度的升高，工作電流會有所變化，工程師可以根據實際應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載瞬態響應之間進行權衡。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，但會影響負載瞬態響應特性；選擇小電感值可改善瞬態響應特性，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，電感的飽和電流應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))計算，其中(Delta I{L})為電感紋波電流，(R{ESR})為電容的等效串聯電阻，(C{OUT})為輸出電容，(F_{OSC})為開關頻率。

輸出電壓設置

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

輸入電壓啟動

軟啟動功能設計使得輸出電壓根據內部設定時間啟動。UVLO釋放后，軟啟動操作時輸出電壓范圍應小于輸入電壓的70%。啟動后軟啟動的輸入電壓應滿足(V{IN} geq frac{V{OUT} × 0.85}{0.7}[V])。

相位補償

• 相位補償電阻選擇：電流模式控制的降壓DC/DC轉換器是一個兩極、一零點系統。相位補償電阻(R{CMP})決定了DC/DC轉換器總環路增益為0 dB的交叉頻率(F{CRS})。較高的交叉頻率(F{CRS})可提供良好的負載瞬態響應特性，但穩定性較差；較低的交叉頻率(F{CRS})可大大穩定特性，但負載瞬態響應特性會受損。(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])計算。
• 相位補償電容選擇：為使DC/DC轉換器穩定運行，在零交叉頻率的1/6以下插入一個零點，可抵消負載形成的極點引起的相位延遲，提供良好的特性。相位補償電容(C{CMP})可通過公式(C{CMP}=frac{1}{2 pi × R{CMP} × F{Z}}[F])計算。
• 環路穩定性：為確保DC/DC轉換器的穩定性，應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，可在有限頻率范圍內增加相位裕度。

PCB布局設計

在降壓DC/DC轉換器中，有兩個環路會流過較大的脈沖電流。第一個環路是高端FET導通時的電流路徑，從輸入電容CIN開始，經過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；第二個環路是低端FET導通時的電流路徑，從低端FET開始，經過電感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，應盡可能將這兩個環路的走線設計得粗而短。具體的PCB布局設計建議如下：

• 輸入電容：應盡可能靠近VIN端子，并與IC在同一平面上。
• 接地平面：若PCB上有未使用的區域，可設置銅箔平面作為接地節點，有助于IC和周圍組件的散熱。
• 開關節點：如SW等開關節點容易受到與其他節點的交流耦合噪聲影響，應將其到電感的走線設計得粗而短。
• 反饋和補償線路：連接FB和COMP的線路應盡量遠離SW節點。
• 輸出電容：應遠離輸入電容，以避免輸入諧波噪聲的影響。

功率耗散與操作注意事項

功率耗散

在設計PCB布局和外圍電路時，必須充分考慮功率耗散，確保其在允許的耗散曲線范圍內。功率耗散與溫度有關，當環境溫度超過25°C時，需進行降額處理，降額系數為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

• 電源反接：電源極性反接可能會損壞IC，連接電源時應采取預防措施，如在電源和IC的電源端子之間安裝外部二極管。
• 電源線：設計PCB布局時應提供低阻抗的電源線，將數字和模擬塊的接地和電源線分開，以防止數字塊的噪聲影響模擬塊。同時，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：確保任何時候引腳電壓都不低于接地引腳電壓，即使在瞬態條件下也應如此。
• 接地布線模式：使用小信號和大電流接地走線時，應將兩者分開布線，并在應用板的參考點連接到單個接地，以避免大電流引起小信號接地的波動。同時，確保外部組件的接地走線不會導致接地電壓的變化，接地線路應盡量短而粗，以降低線路阻抗。
• 熱考慮：如果功率耗散額定值超過規定值，芯片溫度升高可能會導致芯片性能下降。本規格書中規定的Pd絕對最大額定值是在IC安裝在70mm x 70mm x 1.6mm的玻璃環氧板上時的值。若超過該絕對最大額定值，應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能夠大致獲得預期特性的范圍，電氣特性在每個參數的條件下得到保證。
• 浪涌電流：首次給IC供電時，由于內部供電順序和延遲，內部邏輯可能不穩定，可能會瞬間產生浪涌電流，尤其是IC有多個電源時。因此，應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。
• 強電磁場下的操作：在強電磁場環境下操作IC可能會導致IC故障。
• 應用板測試：在應用板上測試IC時，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束后，應完全放電電容。在檢查過程中，連接或移除IC之前，應始終完全關閉IC的電源。為防止靜電放電損壞，組裝時應將IC接地，并在運輸和存儲過程中采取類似的預防措施。
• 引腳短路和安裝錯誤：將IC安裝在PCB上時，應確保方向和位置正確，錯誤的安裝可能會損壞IC。應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通產生顯著影響，導致IC意外操作。因此，除非另有規定，未使用的輸入引腳應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，產生寄生二極管或晶體管。應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，應考慮電容隨溫度的變化以及直流偏置等因素導致的標稱電容減小，來確定介電常數。
• 安全操作區域（ASO）：應確保IC的輸出電壓、輸出電流和功率耗散都在安全操作區域（ASO）內。
• 熱關斷電路（TSD）：該IC內置熱關斷電路，可防止IC因過熱損壞。正常操作應始終在IC的功率耗散額定值范圍內。如果超過額定值持續一段時間，結溫（Tj）會升高，激活TSD電路，關閉所有輸出引腳。當Tj降至TSD閾值以下時，電路自動恢復正常運行。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電路用于設定設計或除保護IC免受熱損壞之外的任何目的。
• 過流保護電路（OCP）：該IC集成了過流保護電路，當負載短路時激活。該保護電路可有效防止突發和意外事件造成的損壞，但IC不應用于保護電路連續運行或過渡的應用中。

訂購信息與注意事項

訂購信息

BD9E100FJ - LB有不同的產品編號和包裝規格可供選擇，如BD9E100FJ - LB - H2采用SOP - J8封裝，適用于工業應用，包裝為壓紋帶和18cm卷軸，數量為250pcs；BD9E100FJ - LB - E2同樣采用SOP - J8封裝，適用于工業應用，包裝為壓紋帶和32.8cm卷軸，數量為2500pcs。

注意事項

使用ROHM產品時，需要注意以下方面：

• 特殊應用：如果打算在對可靠性要求極高的設備（如醫療設備、飛機/航天器、核動力控制器等）中使用產品，且設備故障可能導致人員傷亡或財產嚴重損失，應提前咨詢ROHM銷售代表。除非ROHM事先書面同意，否則ROHM對因使用產品用于特殊應用而導致的任何損害、費用或損失不承擔任何責任。
• 安全措施：雖然ROHM產品經過嚴格的質量控制設計和制造，但半導體產品仍可能以一定概率出現故障或失效。用戶應自行承擔實施適當安全措施的責任，如安裝保護電路或其他保護設備以提高系統安全性，安裝冗余電路以減少單電路或多電路故障的影響。
• 特殊環境使用：產品未針對特殊或極端環境條件進行設計，如在液體、戶外、暴露于陽光或灰塵、海風或腐蝕性氣體、靜電或電磁波、靠近發熱組件或易燃物品、密封或涂層、未清潔助焊劑殘留或使用水溶性清潔劑清洗、有結露的環境中使用。如果打算在這些特殊環境條件下使用產品，在使用前必須獨立驗證和確認產品的性能、可靠性等。
• 輻射防護：產品未進行防輻射設計。
• 產品驗證：使用產品時，應驗證和確認最終或安裝產品的特性。特別是在施加瞬態負載（如脈沖等短時間內施加大量負載）時，強烈建議在板載安裝后確認性能特性。避免施加超過正常額定功率的功率，在穩態負載條件下超過功率額定值可能會對產品性能和可靠性產生負面影響。
• 功率降額：根據環境溫度（Ta）對功率耗散（Pd）進行降額。在密封區域使用時，應確認實際環境溫度。