DC－DC 開關(guān)穩(wěn)壓器在汽車和工業(yè)設(shè)計(jì)中的歸零

對(duì)于汽車和工業(yè)工程師來說，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性非常高。在汽車領(lǐng)域（圖 1），它們被用于從車輛導(dǎo)航到車頭燈的方方面面。在工業(yè)產(chǎn)品中，這些設(shè)備可以在機(jī)器人、機(jī)械和 PLC（可編程邏輯控制器）中找到。

對(duì)于汽車和工業(yè)工程師來說，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性非常高。在汽車領(lǐng)域（圖 1），它們被用于從車輛導(dǎo)航到車頭燈的方方面面。在工業(yè)產(chǎn)品中，這些設(shè)備可以在機(jī)器人、機(jī)械和 PLC（可編程邏輯控制器）中找到。
在當(dāng)今快速發(fā)展的電子世界中，這兩種應(yīng)用都在不斷發(fā)展。為了跟上步伐，適用于它們的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)也必須發(fā)展。

為開發(fā)產(chǎn)品，工程師需要獲得隨其支持的產(chǎn)品而不斷發(fā)展的開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案。在本文中，我們將介紹這些解決方案對(duì)于這兩種應(yīng)用程序的外觀。
用于汽車行業(yè)的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器
首先，讓我們深入了解汽車應(yīng)用中 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的不同要求。其中包括可靠性、小型化、熱調(diào)節(jié)、電磁干擾 (EMI) 和開發(fā)支持。
可靠性 
可靠性在汽車設(shè)計(jì)中始終至關(guān)重要。DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須在電壓波動(dòng)期間保持一致、穩(wěn)定的運(yùn)行，如圖 2 所示。工程師可以在其設(shè)計(jì)中包含的一個(gè)特定規(guī)范是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，它具有小的過沖，可以更有效地保護(hù)組件免受損壞突然的電池電壓波動(dòng)，例如市場(chǎng)上的解決方案的過沖是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 1/10——例如 600 mV 與 50 mV 相比。

圖 2.如何設(shè)計(jì)汽車轉(zhuǎn)換器以支持高可靠性的示例。圖片由ROHM提供

小型化 
小型化是一個(gè)關(guān)鍵特性，它不僅意味著減少物理足跡，還意味著在單個(gè)芯片上提供更多功能以及更短的 BOM（物料清單）。例如，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器已經(jīng)可用，它提供單級(jí)降壓調(diào)節(jié)，無需次級(jí) DC-DC 轉(zhuǎn)換器。
效率 
效率仍將是傳統(tǒng)動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車 (EV) 的 DC-DC 穩(wěn)壓器的主要關(guān)注點(diǎn)，尤其是在汽車市場(chǎng)轉(zhuǎn)向可持續(xù)能源的情況下。例如，用于汽車行業(yè)的傳統(tǒng)初級(jí) DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器旨在實(shí)現(xiàn) 2.2 mA 的靜態(tài)電流，而一些解決方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 25 μA 的靜態(tài)電流消耗，并且在未來可能達(dá)到 4 μA。
工程師們還將尋找能夠向他們承諾提供可靠、穩(wěn)定的穩(wěn)壓器和任何支持硬件的組件制造商。
熱調(diào)節(jié) 
由于各種原因，包括發(fā)熱會(huì)縮短 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的壽命，更好的熱調(diào)節(jié)在汽車行業(yè)中仍然很重要。使解決這個(gè)問題更具挑戰(zhàn)性的是車輛的小型化和惡劣的操作環(huán)境。
為了更好地解決熱問題，工程師們將尋找能夠消除笨重、昂貴的散熱器并為工程師提供易于使用、有效的熱模擬器以用于其設(shè)計(jì)的解決方案。緩解發(fā)熱問題的方法包括化 PCB 上用于封裝的銅面積，以及在 PCB 上定位組件以促進(jìn)散熱。
產(chǎn)品線選擇 
不斷發(fā)展的產(chǎn)品陣容在未來也將至關(guān)重要。隨著技術(shù)進(jìn)步和 ADAS（駕駛輔助系統(tǒng)）和自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車應(yīng)用的設(shè)計(jì)規(guī)范和約束將變得更加嚴(yán)格。 
自動(dòng)化程度更高的車輛的廣泛采用必然會(huì)導(dǎo)致安全性和功能性問題的增加。同時(shí)，對(duì)可持續(xù)能源的日益關(guān)注將導(dǎo)致能源效率要求更高。工程師將需要不斷更新滿足新設(shè)計(jì)規(guī)范、約束和汽車標(biāo)準(zhǔn)的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品線。
電磁干擾
EMI 已經(jīng)成為汽車電子產(chǎn)品的主要問題，包括 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。干擾會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備以意想不到的方式運(yùn)行，不僅可能對(duì)車輛上的人而且對(duì)周圍的人造成危險(xiǎn)。 
由于以下三個(gè)原因，干擾問題變得更具挑戰(zhàn)性：
1.使用的穩(wěn)壓器數(shù)量增加
2.小型化需求
3.更高的開關(guān)頻率。
考慮到所有這些，設(shè)計(jì)必須證明符合 CISPR 25 Class 5，工程師需要支持和協(xié)助才能做到這一點(diǎn)。這些是根據(jù)組件的用途而變化的復(fù)雜要求，并且產(chǎn)品需要大量的測(cè)試和文檔來證明產(chǎn)品確實(shí)合規(guī)。
開發(fā)支持 
隨著設(shè)計(jì)規(guī)范和穩(wěn)壓器技術(shù)的不斷變化，支持工程師開發(fā)電源解決方案也很重要。例如，下面圖 3 中顯示的參考板涵蓋了信息娛樂和 ADAS，并且已經(jīng)過電氣特性、熱性能和電磁兼容性 (EMC) 測(cè)試。
諸如此類的參考和評(píng)估板可幫助工程師熟悉特定 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案的配置和實(shí)施要求，以及如何測(cè)試和評(píng)估關(guān)鍵規(guī)格。

圖 3。使用 ROHM BD9P 系列作為初級(jí)電源和 BD9S 系列作為次級(jí)電源的參考設(shè)計(jì)。圖片由ROHM提供

隨著汽車行業(yè)繼續(xù)朝著更智能、更自動(dòng)化的車輛發(fā)展，ADAS 非常重要。同時(shí)，信息娛樂結(jié)合了信息和娛樂，這是終用戶期望在新型車輛中看到的。這兩者都可作為評(píng)估板的出色測(cè)試應(yīng)用，使工程師能夠確定初級(jí)和次級(jí)開關(guān)穩(wěn)壓器的可行性和性能。
滿足工業(yè)應(yīng)用的要求
與汽車一樣，在工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器發(fā)揮著重要作用。事實(shí)上，效率和小型化等問題同樣重要，但背景不同。同時(shí)，在涉及 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，EMC 和熱設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。
高效率 
提高效率仍將是工業(yè)應(yīng)用的重中之重。然而，與汽車用途不同，工業(yè)應(yīng)用越來越依賴于充電需要運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間的可充電電池。例如，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器通常用于為 BMS（電池管理系統(tǒng)）供電并從電池單元接收直流電流。 
高效穩(wěn)壓器可降低運(yùn)營(yíng)成本，這對(duì)于自動(dòng)化的未來尤其如此，如圖 4 所示。為實(shí)現(xiàn)高效率，工程師應(yīng)尋找靜態(tài)電流為 20μA 且效率介于 80 之間的穩(wěn)壓器% 和 85%。
小型化
小型化也是關(guān)鍵，它會(huì)影響自動(dòng)化產(chǎn)品的整體尺寸，例如無人機(jī)和機(jī)器人，它們的尺寸會(huì)限制它們的使用范圍。工程師們將盡可能尋找緊湊、輕便的解決方案。
此外，小型化減輕了重量，支持更高效的性能和單次電池充電后運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)。另一方面，小型化會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過多熱量和效率的潛在問題。 

圖 4.工業(yè)和倉庫汽車的未來將在很大程度上取決于可充電的輕量化設(shè)計(jì)。圖片由Shutterstock提供

改進(jìn)的熱性能 
同樣，正如汽車行業(yè)所見，DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器必須具有更好的熱設(shè)計(jì)。如圖 5 所示，發(fā)熱和散熱始終是 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的一個(gè)問題，因?yàn)闊崃亢透邷貢?huì)影響電氣元件的性能并縮短其使用壽命。 
工程師們知道，更好的熱設(shè)計(jì)不僅意味著散熱，還需要通過選擇具有芯片封裝設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓器來消除笨重、昂貴的散熱器，限度地減少熱量產(chǎn)生，同時(shí)優(yōu)化穩(wěn)壓器實(shí)施的 PCB 布局。請(qǐng)記住，笨重的散熱器會(huì)增加穩(wěn)壓器的尺寸和重量，因此更好的熱設(shè)計(jì)也是進(jìn)一步小型化的關(guān)鍵。 

圖 5. DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)和實(shí)施的變化會(huì)顯著影響其熱性能。圖片由ROHM提供

負(fù)責(zé)開發(fā)工業(yè)產(chǎn)品的工程師將尋找穩(wěn)壓器的穩(wěn)定。這與電子元件的有關(guān)：制造商需要通過披露他們遵循的采購(gòu)指南來證明他們能夠可靠地獲得用于制造芯片的原材料。
電磁兼容性能 
隨著電磁干擾在工業(yè)環(huán)境中越來越普遍，EMC 標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格，因此必須增強(qiáng) EMC 性能。這在一定程度上是由于電子產(chǎn)品的使用增加以及大量數(shù)據(jù)的無線傳輸，這是轉(zhuǎn)向數(shù)字制造、工業(yè) 4.0 和 IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）的標(biāo)志。因此，工程師將需要符合國(guó)際 EMC/EMI 標(biāo)準(zhǔn)并提供有效濾波選項(xiàng)的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。
未來，工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)將尋找 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器的，這些穩(wěn)壓器提供靈活的制造方法，制造商必須設(shè)置以快速響應(yīng)不斷變化的工業(yè)要求，例如芯片設(shè)計(jì)或修改后的 EMC/EMI 標(biāo)準(zhǔn). 這可以包括從使用的原材料類型到終芯片封裝的所有內(nèi)容。
對(duì)于熱和 EMC 等設(shè)計(jì)方面，必須為工程師提供更好的仿真工具。事實(shí)上，能夠提供仿真工具和建議以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和 EMC 合規(guī)性的制造商將至關(guān)重要。提供這項(xiàng)服務(wù)將縮短上市時(shí)間，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)騰出時(shí)間專注于更關(guān)鍵的設(shè)計(jì)部分。
ROHM DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案
根據(jù)本文討論的趨勢(shì)，ROHM 一直在分析未來的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)該和將會(huì)是什么樣子，并滿足當(dāng)今的這些需求。這包括效率、小型化、熱設(shè)計(jì)、EMC 性能、仿真工具、柔性制造和穩(wěn)壓器的穩(wěn)定。 
對(duì)于汽車應(yīng)用，ROHM 正在擴(kuò)展 ROHM BD9P（初級(jí)）和BD9S（次級(jí)穩(wěn)壓器）系列中可用的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。這些高效開關(guān)穩(wěn)壓器包括 ROHM 專有的納米脈沖控制，支持超快速脈沖控制、性能穩(wěn)定和小型化。它們還包括 ROHM 的 QuiCurr（快速電流）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高速負(fù)載響應(yīng)。
ROHM 還增強(qiáng)了其用于工業(yè)應(yīng)用的 DC-DC 開關(guān)穩(wěn)壓器。這包括改進(jìn)ROHM BD9x系列中可用的 60 V、48 V 和 24 V 電源軌的陣容，BD9S 系列是其中的一個(gè)子集。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，BD9x 系列包括：
? 3.3 V / 5 V 輸入降壓轉(zhuǎn)換器
? 12 V 輸入降壓轉(zhuǎn)換器
? 24 V 輸入降壓轉(zhuǎn)換器
? 寬輸入電壓 24 V / 48 V / 60 V 降壓轉(zhuǎn)換器
? 56 V（值）輸入降壓控制器
? 隔離式反激式轉(zhuǎn)換器
所有 ROHM 開關(guān)穩(wěn)壓器均符合適用的 EMC/EMI 標(biāo)準(zhǔn)，并且 ROHM 提供支持以驗(yàn)證特定實(shí)施是否符合特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。
此外，ROHM 解決方案模擬器在整個(gè)設(shè)計(jì)和測(cè)試階段為工程師提供支持，以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、PCB 庫和 SPICE 電路設(shè)計(jì)和熱仿真的仿真，以優(yōu)化散熱。