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

前言

近年來(lái)，智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備、可穿戴式設(shè)備及IoT設(shè)備等用電池驅(qū)動(dòng)的電子設(shè)備迅速普及。而且，為了提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)小型化并延長(zhǎng)電池使用壽命。

上述電子設(shè)備由負(fù)責(zé)整體控制的CPU(Central Processing Unit)、用來(lái)獲取所需信息的傳感器、進(jìn)行信息通信的無(wú)線設(shè)備等組成(圖1)，通過(guò)適當(dāng)處理這些信息來(lái)實(shí)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(shè)備即使進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，也需要對(duì)外部信號(hào)立即響應(yīng)，因此監(jiān)測(cè)外部信號(hào)的功能會(huì)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(shí)現(xiàn)電池長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航不可欠缺的因素。

一直以來(lái)，ROHM充分利用模擬設(shè)計(jì)技術(shù)、電源系統(tǒng)工藝以及垂直統(tǒng)合型生產(chǎn)體制優(yōu)勢(shì)，致力于開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的電源IC。如今，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會(huì)已經(jīng)成為全人類(lèi)的強(qiáng)烈要求。實(shí)際上，紐扣電池10年驅(qū)動(dòng)技術(shù)也已經(jīng)成為IoT和可穿戴式設(shè)備領(lǐng)域的常見(jiàn)關(guān)鍵詞。此次，ROHM針對(duì)這種社會(huì)需求，利用多年來(lái)積累的并確立的技術(shù)，開(kāi)發(fā)出搭載超低消耗電流技術(shù)“Nano Energy”的電源IC。這使紐扣電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備可以輕松實(shí)現(xiàn)連續(xù)10年驅(qū)動(dòng)。

搭載了該Nano Energy技術(shù)的產(chǎn)品包括“BD70522GUL”。BD70522GUL在支持電池驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中，實(shí)現(xiàn)了180nA的世界最小(截至2018年1月ROHM調(diào)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(shù)。

[圖1] 可穿戴式設(shè)備的組成示例　　　　　　　　[圖2]　與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的消耗電流比較

紐扣電池10年驅(qū)動(dòng)

紐扣電池中最有名的產(chǎn)品是CR2032。這種電池的標(biāo)稱(chēng)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(qū)動(dòng)電子設(shè)備，需要估算所需的電源IC工作時(shí)消耗電流。雖說(shuō)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(shè)電源IC可消耗100mAh來(lái)計(jì)算。

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

這個(gè)1μA的值就是電源IC工作時(shí)容許流過(guò)的平均消耗電流上限。也就是說(shuō)，電源IC的消耗電流為nA量級(jí)是必要條件。這樣就可以無(wú)需增加電池的容量而是通過(guò)無(wú)限減少電源IC的消耗電流，來(lái)延長(zhǎng)電子設(shè)備的連續(xù)驅(qū)動(dòng)時(shí)間并進(jìn)行功能擴(kuò)展。BD70522GUL將消耗電流削減至180nA，大幅延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間。

[圖3]　紐扣電池10年驅(qū)動(dòng)的必要條件

削減消耗電流帶來(lái)的課題

削減電源IC消耗電流最簡(jiǎn)易的方法是增加內(nèi)部電阻的電阻值。但是，單純地增加電阻的話，以下各種問(wèn)題都會(huì)突顯出來(lái)。

・電路面積增加

・對(duì)元件漏電流的影響增加

・阻抗增加會(huì)提高對(duì)干擾噪聲的靈敏度

・模擬電路的響應(yīng)速度惡化

“電路面積增加”是指電阻值的增加帶來(lái)的電阻面積增加。

“對(duì)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(guān)的問(wèn)題。該晶體管即使在OFF狀態(tài)下也會(huì)流過(guò)一定的漏電流。該漏電流產(chǎn)生于內(nèi)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(duì)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(huì)變小，將無(wú)法再忽略漏電流的影響。

“阻抗增加會(huì)提高對(duì)干擾噪聲的靈敏度”是指為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)電阻(R)連接的是π型濾波器。當(dāng)其一端被施加電壓、另一端進(jìn)來(lái)噪聲時(shí)，含噪聲端子的電壓到穩(wěn)定為原電壓之間的時(shí)間常數(shù)由π型濾波器的RC決定。該電阻增加會(huì)使時(shí)間常數(shù)變大，從而使到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)。

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

[圖4]削減消耗電流帶來(lái)的課題(漏電流)　　 [圖5]削減消耗電流帶來(lái)的課題(響應(yīng)速度)

攻克課題的主要技術(shù)及其特性效果

針對(duì)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(shè)計(jì)”、“布局”、“工藝”三大尖端模擬技術(shù)，創(chuàng)建了Nano Energy技術(shù)。通過(guò)這些優(yōu)勢(shì)的大融合，對(duì)各種課題實(shí)施了最佳對(duì)策。在這里，以BD70522GUL中搭載的Nano Energy技術(shù)的電路設(shè)計(jì)技術(shù)為例，來(lái)介紹以下兩個(gè)主要技術(shù)及其效果。

・降低基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧涂刂票O(jiān)測(cè)單元消耗電流的技術(shù)

・解決控制監(jiān)測(cè)部的低消耗電流、高速響應(yīng)、高精度之間存在的矛盾關(guān)系的技術(shù)

BD70522GUL是降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)，當(dāng)作為負(fù)載的輸出電流低于一定的值時(shí)，通過(guò)切換為間歇工作模式，可以在保持輸出電壓的同時(shí)減少電流消耗。在需要Nano Energy技術(shù)的眾多應(yīng)用中，預(yù)計(jì)保持間歇工作狀態(tài)的時(shí)間都比較長(zhǎng)。為此，在BD70522GUL的開(kāi)發(fā)中，深入分析并基于分析結(jié)果減少了這種間歇工作時(shí)的電流。

首先，根據(jù)分析結(jié)果，將間歇工作時(shí)消耗電流的主要原因提煉為基準(zhǔn)電壓?jiǎn)卧涂刂票O(jiān)測(cè)單元兩處(圖6)。然后，對(duì)于這兩個(gè)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(jié)果是，在電源IC的最重要特性--效率特性中，在后段待機(jī)狀態(tài)負(fù)載電流10μA的條件下，實(shí)現(xiàn)了效率90%以上的特性(圖7)。另外，在直至最大負(fù)載電流500mA的更寬范圍內(nèi)均可保持該特性。

[圖6]　開(kāi)關(guān)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(cè)部的相互制約的矛盾關(guān)系的技術(shù)。如前所述，減少控制監(jiān)測(cè)部的消耗電流會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度惡化。而且，還有一個(gè)由控制監(jiān)測(cè)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(cè)部的電路結(jié)構(gòu)，不可能同時(shí)改善“低消耗電流、高速響應(yīng)、高精度”這三大特性。但是，利用BD70522GUL中搭載的Nano Energy技術(shù)，通過(guò)全面改善電路結(jié)構(gòu)，成功地使以往無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的三大特性得以同時(shí)改善。并且實(shí)現(xiàn)了世界最小的無(wú)負(fù)載時(shí)消耗電流、負(fù)載波動(dòng)時(shí)的高速響應(yīng)性(Load response)、整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)穩(wěn)定的輸出電壓(Load regulation)(圖8,9)。

[圖8]　BD70522GUL 高速響應(yīng)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(yīng)用

Nano Energy技術(shù)是非常有用的低功耗技術(shù)，而降低消耗電流是需要電源的所有應(yīng)用中永遠(yuǎn)的主題。如本文開(kāi)頭所述，該技術(shù)尤其對(duì)于待機(jī)狀態(tài)長(zhǎng)、但工作時(shí)需要迅速響應(yīng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是最佳技術(shù)。例如利用紐扣電池和鋰離子電池等驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)設(shè)備或安防設(shè)備等應(yīng)用。此外，隨著近年來(lái)汽車(chē)電子化的加速，也正在成為車(chē)載元器件所需的技術(shù)。ROHM擁有的電源IC技術(shù)，不僅有開(kāi)關(guān)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(kāi)發(fā)中，ROHM未來(lái)還將繼續(xù)提供進(jìn)一步節(jié)省空間、降低噪聲的豐富解決方案，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會(huì)貢獻(xiàn)力量。(圖10)

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

總結(jié)

利用ROHM開(kāi)發(fā)的超低功耗技術(shù)--Nano Energy技術(shù)，可顯著降低電源IC的消耗電流。例如，搭載Nano Energy的BD70522GUL實(shí)現(xiàn)了180nA的世界最小消耗電流。另外，對(duì)于與降低消耗電流相互制約的矛盾課題，BD70522GUL也通過(guò)Nano Energy技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了超低消耗電流、高速響應(yīng)、輸出電壓的穩(wěn)定性。這意味著ROHM可以為更廣泛的應(yīng)用提供更豐富的解決方案，其中包括以“紐扣電池10年驅(qū)動(dòng)”為關(guān)鍵詞的移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域、乃至近年來(lái)發(fā)展迅速的車(chē)載電子元器件領(lǐng)域。

目前，ROHM正在市場(chǎng)上推廣電源IC的兩大尖端技術(shù)Nano技術(shù)(Nano Pulse Control※1和Nano Energy)。這些技術(shù)不是僅對(duì)特定領(lǐng)域有效的技術(shù)，而是因其出色的性能而可以在更廣泛的領(lǐng)域中應(yīng)用的技術(shù)，這一點(diǎn)是這些技術(shù)共同具備的特點(diǎn)。未來(lái)，ROHM將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大搭載了Nano技術(shù)的產(chǎn)品群，以滿(mǎn)足更廣泛的需求，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展社會(huì)貢獻(xiàn)力量。

※1 盡可能精細(xì)而穩(wěn)定地控制脈沖寬度的技術(shù)，實(shí)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(nèi)的“安裝面積小型化”。