助力可持續(xù)發(fā)展社會的ROHM新技術 超低消耗電流技術：Nano Energy

　　前言

　　近年來，智能手機等移動設備、可穿戴式設備及IoT設備等用電池驅動的電子設備迅速普及。而且，為了提高產(chǎn)品的設計靈活度并確保配置新功能所用的空間，要求這些產(chǎn)品上搭載的元器件的功耗要降低到極限，以實現(xiàn)小型化并延長電池使用壽命。

　　上述電子設備由負責整體控制的CPU(Central Processing Unit)、用來獲取所需信息的傳感器、進行信息通信的無線設備等組成(圖1)，通過適當處理這些信息來實現(xiàn)各種功能。電源IC的作用是使電池穩(wěn)定供給這些部件工作所需的電源電壓。而且，電子設備即使進入待機狀態(tài)，也需要對外部信號立即響應，因此監(jiān)測外部信號的功能會繼續(xù)工作。這就需要電源IC也始終保持工作狀態(tài)，以保證該功能的電源電壓供給。因此，降低電源IC自身的消耗電流是實現(xiàn)電池長時間續(xù)航不可欠缺的因素。

　　一直以來，ROHM充分利用模擬設計技術、電源系統(tǒng)工藝以及垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制優(yōu)勢，致力于開發(fā)滿足市場需求的電源IC。如今，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會已經(jīng)成為全人類的強烈要求。實際上，紐扣電池10年驅動技術也已經(jīng)成為IoT和可穿戴式設備領域的常見關鍵詞。此次，ROHM針對這種社會需求，利用多年來積累的并確立的技術，開發(fā)出搭載超低消耗電流技術“Nano Energy”的電源IC。這使紐扣電池驅動的設備可以輕松實現(xiàn)連續(xù)10年驅動。

　　搭載了該Nano Energy技術的產(chǎn)品包括“BD70522GUL”。BD70522GUL在支持電池驅動的開關穩(wěn)壓器中，實現(xiàn)了180nA的世界最小(截至2018年1月ROHM調查數(shù)據(jù))消耗電流(圖2)。下面介紹一下BD70522GUL所搭載的Nano Energy技術。

　　[圖1] 可穿戴式設備的組成示例

　　[圖2]　與競爭對手的消耗電流比較

　　紐扣電池10年驅動

　　紐扣電池中最有名的產(chǎn)品是CR2032。這種電池的標稱容量為220mAh，是各公司的通用規(guī)格。為了使用這種紐扣電池連續(xù)10年驅動電子設備，需要估算所需的電源IC工作時消耗電流。雖說電池容量是220mAh，電源IC也不可能消耗掉所有的電量。在此多估算一些，按照假設電源IC可消耗100mAh來計算。

　　ICC(消耗電流)=100mAh(電池容量)÷87,600h(10年)≒1μA(圖3)

　　這個1μA的值就是電源IC工作時容許流過的平均消耗電流上限。也就是說，電源IC的消耗電流為nA量級是必要條件。這樣就可以無需增加電池的容量而是通過無限減少電源IC的消耗電流，來延長電子設備的連續(xù)驅動時間并進行功能擴展。BD70522GUL將消耗電流削減至180nA，大幅延長了電池續(xù)航時間。

　　[圖3]　紐扣電池10年驅動的必要條件

　　削減消耗電流帶來的課題

　　削減電源IC消耗電流最簡易的方法是增加內部電阻的電阻值。但是，單純地增加電阻的話，以下各種問題都會突顯出來。

　　?電路面積增加

　　?對元件漏電流的影響增加

　　?阻抗增加會提高對干擾噪聲的靈敏度

　　?模擬電路的響應速度惡化

　　“電路面積增加”是指電阻值的增加帶來的電阻面積增加。

　　“對元件漏電流的影響增加”是指組成電源IC的部件中MOS(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)晶體管相關的問題。該晶體管即使在OFF狀態(tài)下也會流過一定的漏電流。該漏電流產(chǎn)生于內部電路或輸出段。例如，以流入反饋電阻的漏電流為例(圖4)，如果是之前的電阻值，則相對于輸出電壓產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電流(=輸出電壓÷反饋電阻)漏電流十分小，因此可以忽略;但電阻增大后，穩(wěn)態(tài)電流會變小，將無法再忽略漏電流的影響。

　　“阻抗增加會提高對干擾噪聲的靈敏度”是指為簡單起見，假設電阻(R)連接的是π型濾波器。當其一端被施加電壓、另一端進來噪聲時，含噪聲端子的電壓到穩(wěn)定為原電壓之間的時間常數(shù)由π型濾波器的RC決定。該電阻增加會使時間常數(shù)變大，從而使到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間變長。

　　“模擬電路的響應速度”是由諸多因素決定的，在此通過對電容器的充電為例來考慮。充電到一定工作電壓的時間即響應速度，該響應速度與充電用的電流成正比，因此如果消耗電流減少，響應速度會變差(圖5)。

　　[圖4]削減消耗電流帶來的課題(漏電流)

　　[圖5]削減消耗電流帶來的課題(響應速度)

　　攻克課題的主要技術及其特性效果

　　針對前述的各種課題，ROHM融合垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制下的“電路設計”、“布局”、“工藝”三大尖端模擬技術，創(chuàng)建了Nano Energy技術。通過這些優(yōu)勢的大融合，對各種課題實施了最佳對策。在這里，以BD70522GUL中搭載的Nano Energy技術的電路設計技術為例，來介紹以下兩個主要技術及其效果。

　　?降低基準電壓單元和控制監(jiān)測單元消耗電流的技術

　　?解決控制監(jiān)測部的低消耗電流、高速響應、高精度之間存在的矛盾關系的技術

　　BD70522GUL是降壓型開關穩(wěn)壓器。對于開關穩(wěn)壓器來說，當作為負載的輸出電流低于一定的值時，通過切換為間歇工作模式，可以在保持輸出電壓的同時減少電流消耗。在需要Nano Energy技術的眾多應用中，預計保持間歇工作狀態(tài)的時間都比較長。為此，在BD70522GUL的開發(fā)中，深入分析并基于分析結果減少了這種間歇工作時的電流。

　　首先，根據(jù)分析結果，將間歇工作時消耗電流的主要原因提煉為基準電壓單元和控制監(jiān)測單元兩處(圖6)。然后，對于這兩個單元采用最佳的消耗電流削減方法，使這兩單元的消耗電流降至以往的1/100左右。其結果是，在電源IC的最重要特性--效率特性中，在后段待機狀態(tài)負載電流10μA的條件下，實現(xiàn)了效率90%以上的特性(圖7)。另外，在直至最大負載電流500mA的更寬范圍內均可保持該特性。

　　[圖6]　開關穩(wěn)壓器方框圖

　　[圖7]　BD70522GUL的效率特性

　　下面介紹一下解決控制監(jiān)測部的相互制約的矛盾關系的技術。如前所述，減少控制監(jiān)測部的消耗電流會導致響應速度惡化。而且，還有一個由控制監(jiān)測部決定的重要電路特性。那就是穩(wěn)定的輸出電壓。以傳統(tǒng)的控制監(jiān)測部的電路結構，不可能同時改善“低消耗電流、高速響應、高精度”這三大特性。但是，利用BD70522GUL中搭載的Nano Energy技術，通過全面改善電路結構，成功地使以往無法同時實現(xiàn)的三大特性得以同時改善。并且實現(xiàn)了世界最小的無負載時消耗電流、負載波動時的高速響應性(Load response)、整個負載范圍內穩(wěn)定的輸出電壓(Load regulation)(圖8,9)。

　　[圖8]　BD70522GUL 高速響應特性

　　[圖9]　BD70522GUL 輸出電壓穩(wěn)定性

　　搭載Nano Energy的產(chǎn)品可支持廣泛的應用

　　Nano Energy技術是非常有用的低功耗技術，而降低消耗電流是需要電源的所有應用中永遠的主題。如本文開頭所述，該技術尤其對于待機狀態(tài)長、但工作時需要迅速響應的應用來說是最佳技術。例如利用紐扣電池和鋰離子電池等驅動的移動設備或安防設備等應用。此外，隨著近年來汽車電子化的加速，也正在成為車載元器件所需的技術。ROHM擁有的電源IC技術，不僅有開關穩(wěn)壓器，還有LDO(Low Drop Out)穩(wěn)壓器。如今，搭載Nano Energy的LDO穩(wěn)壓器也已在開發(fā)中，ROHM未來還將繼續(xù)提供進一步節(jié)省空間、降低噪聲的豐富解決方案，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會貢獻力量。(圖10)

　　[圖10]　搭載Nano Energy技術的產(chǎn)品支持的應用示例

　　總結

　　利用ROHM開發(fā)的超低功耗技術--Nano Energy技術，可顯著降低電源IC的消耗電流。例如，搭載Nano Energy的BD70522GUL實現(xiàn)了180nA的世界最小消耗電流。另外，對于與降低消耗電流相互制約的矛盾課題，BD70522GUL也通過Nano Energy技術，同時實現(xiàn)了超低消耗電流、高速響應、輸出電壓的穩(wěn)定性。這意味著ROHM可以為更廣泛的應用提供更豐富的解決方案，其中包括以“紐扣電池10年驅動”為關鍵詞的移動設備領域、乃至近年來發(fā)展迅速的車載電子元器件領域。

　　目前，ROHM正在市場上推廣電源IC的兩大尖端技術Nano技術(Nano Pulse Control※1和Nano Energy)。這些技術不是僅對特定領域有效的技術，而是因其出色的性能而可以在更廣泛的領域中應用的技術，這一點是這些技術共同具備的特點。未來，ROHM將會繼續(xù)擴大搭載了Nano技術的產(chǎn)品群，以滿足更廣泛的需求，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會貢獻力量。

　　※1 盡可能精細而穩(wěn)定地控制脈沖寬度的技術，實現(xiàn)了在降壓比較大的環(huán)境下“電源系統(tǒng)單芯片化”、以及包括線圈在內的“安裝面積小型化”。