助力可持续发展社会的ROHM新技术 超低消耗电流技术:Nano Energy

http://www.it.hc360.com2018年08月28日15:26T|T

前言

近年来,智能手机等移动设备、可穿戴式设备及IoT设备等用电池驱动的电子设备迅速普及。而且,为了提高产品的设计灵活度并确保配置新功能所用的空间,要求这些产品上搭载的元器件的功耗要降低到极限,以实现小型化并延长电池使用寿命。

上述电子设备由负责整体控制的CPU(Central Processing Unit)、用来获取所需信息的传感器、进行信息通信的无线设备等组成(图1),通过适当处理这些信息来实现各种功能。电源IC的作用是使电池稳定供给这些部件工作所需的电源电压。而且,电子设备即使进入待机状态,也需要对外部信号立即响应,因此监测外部信号的功能会继续工作。这就需要电源IC也始终保持工作状态,以保证该功能的电源电压供给。因此,降低电源IC自身的消耗电流是实现电池长时间续航不可欠缺的因素。

一直以来,ROHM充分利用模拟设计技术、电源系统工艺以及垂直统合型生产体制优势,致力于开发满足市场需求的电源IC。如今,实现可持续发展社会已经成为全人类的强烈要求。实际上,纽扣电池10年驱动技术也已经成为IoT和可穿戴式设备领域的常见关键词。此次,ROHM针对这种社会需求,利用多年来积累的并确立的技术,开发出搭载超低消耗电流技术“Nano Energy”的电源IC。这使纽扣电池驱动的设备可以轻松实现连续10年驱动。
  搭载了该Nano Energy技术的产品包括“BD70522GUL”。BD70522GUL在支持电池驱动的开关稳压器中,实现了180nA的世界最小(截至2018年1月ROHM调查数据)消耗电流(图2)。下面介绍一下BD70522GUL所搭载的Nano Energy技术。

[图1] 可穿戴式设备的组成示例     [图2] 与竞争对手的消耗电流比较

 

纽扣电池10年驱动

纽扣电池中最有名的产品是CR2032。这种电池的标称容量为220mAh,是各公司的通用规格。为了使用这种纽扣电池连续10年驱动电子设备,需要估算所需的电源IC工作时消耗电流。虽说电池容量是220mAh,电源IC也不可能消耗掉所有的电量。在此多估算一些,按照假设电源IC可消耗100mAh来计算。

ICC(消耗电流)=100mAh(电池容量)÷87,600h(10年)≒1μA(图3)

这个1μA的值就是电源IC工作时容许流过的平均消耗电流上限。也就是说,电源IC的消耗电流为nA量级是必要条件。这样就可以无需增加电池的容量而是通过无限减少电源IC的消耗电流,来延长电子设备的连续驱动时间并进行功能扩展。BD70522GUL将消耗电流削减至180nA,大幅延长了电池续航时间。

[图3] 纽扣电池10年驱动的必要条件

 

削减消耗电流带来的课题

削减电源IC消耗电流最简易的方法是增加内部电阻的电阻值。但是,单纯地增加电阻的话,以下各种问题都会突显出来。

・电路面积增加

・对元件漏电流的影响增加

・阻抗增加会提高对干扰噪声的灵敏度

・模拟电路的响应速度恶化

“电路面积增加”是指电阻值的增加带来的电阻面积增加。

“对元件漏电流的影响增加”是指组成电源IC的部件中MOS(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)晶体管相关的问题。该晶体管即使在OFF状态下也会流过一定的漏电流。该漏电流产生于内部电路或输出段。例如,以流入反馈电阻的漏电流为例(图4),如果是之前的电阻值,则相对于输出电压产生的稳态电流(=输出电压÷反馈电阻)漏电流十分小,因此可以忽略;但电阻增大后,稳态电流会变小,将无法再忽略漏电流的影响。

“阻抗增加会提高对干扰噪声的灵敏度”是指为简单起见,假设电阻(R)连接的是π型滤波器。当其一端被施加电压、另一端进来噪声时,含噪声端子的电压到稳定为原电压之间的时间常数由π型滤波器的RC决定。该电阻增加会使时间常数变大,从而使到达稳定状态的时间变长。

“模拟电路的响应速度”是由诸多因素决定的,在此通过对电容器的充电为例来考虑。充电到一定工作电压的时间即响应速度,该响应速度与充电用的电流成正比,因此如果消耗电流减少,响应速度会变差(图5)。

  [图4]削减消耗电流带来的课题(漏电流)     [图5]削减消耗电流带来的课题(响应速度)

 

 

攻克课题的主要技术及其特性效果

针对前述的各种课题,ROHM融合垂直统合型生产体制下的“电路设计”、“布局”、“工艺”三大尖端模拟技术,创建了Nano Energy技术。通过这些优势的大融合,对各种课题实施了最佳对策。在这里,以BD70522GUL中搭载的Nano Energy技术的电路设计技术为例,来介绍以下两个主要技术及其效果。

・降低基准电压单元和控制监测单元消耗电流的技术

・解决控制监测部的低消耗电流、高速响应、高精度之间存在的矛盾关系的技术

BD70522GUL是降压型开关稳压器。对于开关稳压器来说,当作为负载的输出电流低于一定的值时,通过切换为间歇工作模式,可以在保持输出电压的同时减少电流消耗。在需要Nano Energy技术的众多应用中,预计保持间歇工作状态的时间都比较长。为此,在BD70522GUL的开发中,深入分析并基于分析结果减少了这种间歇工作时的电流。

首先,根据分析结果,将间歇工作时消耗电流的主要原因提炼为基准电压单元和控制监测单元两处(图6)。然后,对于这两个单元采用最佳的消耗电流削減方法,使这两单元的消耗电流降至以往的1/100左右。其结果是,在电源IC的最重要特性--效率特性中,在后段待机状态负载电流10μA的条件下,实现了效率90%以上的特性(图7)。另外,在直至最大负载电流500mA的更宽范围内均可保持该特性。

[图6] 开关稳压器方框图       [图7] BD70522GUL的效率特性

 

下面介绍一下解决控制监测部的相互制约的矛盾关系的技术。如前所述,减少控制监测部的消耗电流会导致响应速度恶化。而且,还有一个由控制监测部决定的重要电路特性。那就是稳定的输出电压。以传统的控制监测部的电路结构,不可能同时改善“低消耗电流、高速响应、高精度”这三大特性。但是,利用BD70522GUL中搭载的Nano Energy技术,通过全面改善电路结构,成功地使以往无法同时实现的三大特性得以同时改善。并且实现了世界最小的无负载时消耗电流、负载波动时的高速响应性(Load response)、整个负载范围内稳定的输出电压(Load regulation)(图8,9)。

[图8] BD70522GUL 高速响应特性                [图9] BD70522GUL 输出电压稳定性

 

搭载Nano Energy的产品可支持广泛的应用

Nano Energy技术是非常有用的低功耗技术,而降低消耗电流是需要电源的所有应用中永远的主题。如本文开头所述,该技术尤其对于待机状态长、但工作时需要迅速响应的应用来说是最佳技术。例如利用纽扣电池和锂离子电池等驱动的移动设备或安防设备等应用。此外,随着近年来汽车电子化的加速,也正在成为车载元器件所需的技术。ROHM拥有的电源IC技术,不仅有开关稳压器,还有LDO(Low Drop Out)稳压器。如今,搭载Nano Energy的LDO稳压器也已在开发中,ROHM未来还将继续提供进一步节省空间、降低噪声的丰富解决方案,为实现可持续发展社会贡献力量。(图10)

[图10] 搭载Nano Energy技术的产品支持的应用示例

 

总结

利用ROHM开发的超低功耗技术--Nano Energy技术,可显著降低电源IC的消耗电流。例如,搭载Nano Energy的BD70522GUL实现了180nA的世界最小消耗电流。另外,对于与降低消耗电流相互制约的矛盾课题,BD70522GUL也通过Nano Energy技术,同时实现了超低消耗电流、高速响应、输出电压的稳定性。这意味着ROHM可以为更广泛的应用提供更丰富的解决方案,其中包括以“纽扣电池10年驱动”为关键词的移动设备领域、乃至近年来发展迅速的车载电子元器件领域。

目前,ROHM正在市场上推广电源IC的两大尖端技术Nano技术(Nano Pulse Control※1和Nano Energy)。这些技术不是仅对特定领域有效的技术,而是因其出色的性能而可以在更广泛的领域中应用的技术,这一点是这些技术共同具备的特点。未来,ROHM将会继续扩大搭载了Nano技术的产品群,以满足更广泛的需求,为实现可持续发展社会贡献力量。

 

※1 尽可能精细而稳定地控制脉冲宽度的技术,实现了在降压比较大的环境下“电源系统单芯片化”、以及包括线圈在内的“安装面积小型化”。

 

责任编辑:刘婷婷

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