可穿戴與IoT用DC/DC：如何實(shí)現(xiàn)納安級(jí)消耗電流？ 　

作者 / 迎九 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：可穿戴等市場發(fā)展快。DC/DC轉(zhuǎn)換器成為影響這些產(chǎn)品電池壽命的重要器件。ROHM的BD70522GUL超輕載消耗電流只有180 nA，通過電路、布局和工藝實(shí)現(xiàn)。

可穿戴市場引人關(guān)注

　　目前的消費(fèi)類電子市場中，手機(jī)、PC、平板等產(chǎn)品在之前的幾年市場已經(jīng)爆發(fā)，近幾年已趨于飽和狀態(tài)。但是像可穿戴裝置和AR/VR產(chǎn)品剛剛開始爆發(fā)，在未來有很大的商機(jī)，如圖1。

　　據(jù)IDC、CES publication等預(yù)計(jì)，可穿戴設(shè)備(智能手表和手環(huán))的產(chǎn)量到2020年將超過2億個(gè)，如圖2。實(shí)際上，可穿戴式設(shè)備還有智能耳機(jī)或家庭物聯(lián)網(wǎng)器件(例如智能音箱)等。

電源IC本身的功耗決定了可穿戴產(chǎn)品的電池壽命

　　可穿戴設(shè)備是典型的降壓型應(yīng)用。移動(dòng)電子設(shè)備的電源需求可以分為升壓型、降壓型、升降壓型三種(如圖3)。搖控器、電動(dòng)牙刷等本身電池里的電壓無法直接滿足外圍線路的供電需求，所以需要有一個(gè)升壓型的電源來做中間的電壓轉(zhuǎn)換的支持。

　　可穿戴產(chǎn)品最大的難點(diǎn)就在于電池的續(xù)航時(shí)間，這是因?yàn)榭纱┐鳟a(chǎn)品本身就比較小，因而電池容量也較小。除了電池本身的新材料外，超低功耗電源IC等器件才是真正解決問題的關(guān)鍵。

　　為了延長電池壽命，可穿戴產(chǎn)品的電源IC本身消耗電流已低至納安。據(jù)ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司設(shè)計(jì)中心經(jīng)理陳行樂介紹，ROHM發(fā)布一款利用Nano Energy技術(shù)的降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器IC——BD70522GUL，工作電流只有180nA，是ROHM以往產(chǎn)品的1/140。另外，它還使用了1.78 mm×1.56 mm的超小型封裝，因此不僅僅是可穿戴設(shè)備，還可以在一些小配件、傳感器設(shè)備以及能源回收設(shè)備中應(yīng)用。

BD70522GUL的研制考慮

　　很多可穿戴式IoT設(shè)備由紐扣電池驅(qū)動(dòng)，若100 mAh的紐扣電池?zé)o負(fù)載時(shí)可持續(xù)工作十年，那么允許消耗電流是1.142 μA。總共允許消耗的電流分為兩部分，一部分是傳感器、無線IC等，通常使用一次、激活一次，功率是固定的;另外一部分是電源本身消耗的功率。從整個(gè)壽命周期來看，電源器件本身的消電要比固定消耗功率的器件還多(如圖4)。所以BD70522GUL的開發(fā)人員設(shè)立了一個(gè)小目標(biāo)——把“電源IC本身的消耗功率+外圍”降到1.142 μA。

　　*電路設(shè)計(jì)上如何降低電流?

　　圖5左圖是BD70522GUL芯片的工作原理。眾所周知，DC/DC本身的消耗，一方面有DC/DC開關(guān)損耗，還有一些其他消耗。包括：①外圍的反饋電阻有漏電流，會(huì)有損耗。例如，用得較多的是反饋電阻在100 kΩ級(jí)別，若輸出對地有1 V壓差，就會(huì)有10 μA左右的漏電流。那么如何減少漏電流?可以把電阻往上抬，即提高電阻阻值的數(shù)量級(jí)，例如提高到1000倍的數(shù)量級(jí)，這種情況下電流會(huì)變得非常小。因此，BD70522GUL的電阻從百k級(jí)別提高到M級(jí)別，并把電阻放到芯片內(nèi)部。②另外還會(huì)從芯片內(nèi)部的布局來改善對噪音的敏感度。③最大挑戰(zhàn)是響應(yīng)速度，如果要響應(yīng)速度快，消耗電流會(huì)較大(如圖5右圖)，這是一種反比的技術(shù)。因此，目前RPHM掌握的平衡點(diǎn)是100 MΩ左右。

　　*布局上，超輕負(fù)載狀態(tài)下如何降低功耗?

　　芯片內(nèi)部的損耗包括保護(hù)電路、基準(zhǔn)電壓和控制監(jiān)控等(如圖6)。在芯片本身無輸出的情況下，其他絕大部分友商的保護(hù)電路是要激活的，另外基準(zhǔn)電壓和控制電壓也要激活，ROHM的做法是只有基準(zhǔn)電壓和控制電壓是激活部分，因此電流可以做到非常低。

　　圍繞基準(zhǔn)電壓和控制監(jiān)控，需要實(shí)現(xiàn)三大電路技術(shù)。①超輕負(fù)載下?lián)p耗最小、功耗最低。②如何減少整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的波動(dòng)。③在全負(fù)載范圍內(nèi)可以響應(yīng)電壓負(fù)載非?？臁?/p>

　　采用ROHM專利的Nano Energy技術(shù)，在超輕負(fù)載下,BD70522GUL可以做到180 nA消耗電流，在同能功能的機(jī)型中，在寬范圍實(shí)現(xiàn)90%以上的功率轉(zhuǎn)換效率。

　　Nano Energy創(chuàng)新的細(xì)節(jié)

　　Nano Energy是ROHM公司內(nèi)部的稱法，研發(fā)始于2014年，是先行電源技術(shù)開發(fā)法部開發(fā)的，復(fù)合電源LSI商品開發(fā)部負(fù)責(zé)產(chǎn)品化。該技術(shù)采用了適用于模擬技術(shù)和低電流消耗的工藝，以及垂直整合型的開發(fā)生產(chǎn)體制。即Nano Energy集成了電路設(shè)計(jì)、布局和工藝三個(gè)優(yōu)勢。

　　*在電路設(shè)計(jì)方面，主要在基準(zhǔn)電壓和監(jiān)控這兩部分下的工夫(如圖6)。做基準(zhǔn)電壓消耗部分，主要考慮了兩種情況，一是超輕的負(fù)載，另一個(gè)是重載，即最大能力承受的電流。因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品的負(fù)載是會(huì)變的，超輕負(fù)載瞬間變到重載的情況下，如何平滑地變化，需要在負(fù)載波響應(yīng)上下工夫。

　　*關(guān)于布局(圖5)，電阻指數(shù)型地變大。特別是以往的產(chǎn)品是外置的，如果把電阻放到芯片內(nèi)部，可以解決針對噪音的敏感度，所以這部分完全靠芯片的布局來做對應(yīng)改善。

　　*工藝方面，特別是電阻，一是要內(nèi)置，電阻變大對工藝要求非常高。例如電阻從100 kΩ到100 MΩ，電源芯片成本也會(huì)上升。因?yàn)镽OHM是做電阻起家的，在電阻工藝方面擁有核心技術(shù)，可把電阻阻值成倍放大以后，同時(shí)不增大芯片面積。

應(yīng)用案例——太陽能收集能量的應(yīng)用場景

　　可用于可穿戴產(chǎn)品，延長電池的續(xù)航時(shí)間。BD70522GUL還有一個(gè)應(yīng)用場景是能量收集設(shè)備，可用于可穿戴設(shè)備或IoT設(shè)備。例如太陽能作為一種非常環(huán)保的能源，但發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率非常低，只有20%左右。因此好不容易把太陽能收集起來，如果沒有好好利用的話，在后端損耗掉是非?？上У?。

　　為此，ROHM做了一個(gè)演示，用太陽能發(fā)電板取電，靠電容器蓄電，沒有電池供電?？抗庹丈鋾r(shí)，光照越強(qiáng)電壓就越高。如果改為微弱的光，產(chǎn)生的電流較小，ROHM的BD70522GUL依舊可以被激活工作(圖7左圖)。另外一種應(yīng)用場景：光照得很強(qiáng)，把光熄滅后，這時(shí)整套系統(tǒng)靠電容器上的蓄電工作，可見BD70522GUL的掉電速度慢(如圖7右圖)，這是因?yàn)锽D70522GUL本身消耗電流小，因此電容器上面存儲(chǔ)的電能用得久。

結(jié)論

　　電子產(chǎn)品有的時(shí)候會(huì)有一些東西是性能過剩，但是對節(jié)能來說是不存在性能過剩這個(gè)說法的。低電流消耗、低電力消耗，這兩點(diǎn)不僅是針對于IoT和可穿戴設(shè)備，對于任何一個(gè)來說都是很關(guān)鍵的。

　　ROHM低電流消耗技術(shù)Nano Energy融合了ROHM的垂直統(tǒng)和型的生產(chǎn)體制，整合了電路設(shè)計(jì)、整體布局和工藝?；贜ano Energy的BD70522GUL主要應(yīng)用在可穿戴和IoT設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了超輕負(fù)載下的180 nA消耗電流。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]迎九,王金旺.解讀電源三大熱門領(lǐng)域的技術(shù)方案[J].電子產(chǎn)品世界,2017(4):12-16

　　[2]迎九.從ISSCC 2018會(huì)議看電源管理的五大創(chuàng)新[J].電子產(chǎn)品世界,2017(12):77

　　[3]王瑩,王金旺,Armstong T,等.電源的六大酷領(lǐng)域及動(dòng)向[J].電子產(chǎn)品世界,2016(4):6-12

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第19頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。