助力可持續(xù)發(fā)展社會的ROHM新技術(shù) 超低消耗電流技術(shù)：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(qū)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(shù)、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(qū)動技術(shù)也已經(jīng)成為IoT和可穿戴式設備領域的常見關(guān)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(shù)，開發(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)動的設備可以輕松實現(xiàn)連續(xù)10年驅(qū)動。

搭載了該Nano Energy技術(shù)的產(chǎn)品包括“BD70522GUL”。BD70522GUL在支持電池驅(qū)動的開關(guān)穩(wěn)壓器中，實現(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)。

紐扣電池10年驅(qū)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(qū)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(qū)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。

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(nèi)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(guān)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(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）。

攻克課題的主要技術(shù)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(shù)，創(chuàng)建了Nano Energy技術(shù)。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(shù)的電路設計技術(shù)為例，來介紹以下兩個主要技術(shù)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(shù)

?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(guān)系的技術(shù)

BD70522GUL是降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。對于開關(guān)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(shù)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(jié)果減少了這種間歇工作時的電流。

首先，根據(jù)分析結(jié)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(jié)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(nèi)均可保持該特性。

下面介紹一下解決控制監(jiān)測部的相互制約的矛盾關(guān)系的技術(shù)。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(jié)構(gòu)，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(shù)，通過全面改善電路結(jié)構(gòu)，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(nèi)穩(wěn)定的輸出電壓（Load regulation）（圖8，9）。

搭載Nano Energy的產(chǎn)品可支持廣泛的應用

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用中永遠的主題。如本文開頭所述，該技術(shù)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(shù)。例如利用紐扣電池和鋰離子電池等驅(qū)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(shù)。ROHM擁有的電源IC技術(shù)，不僅有開關(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）

總結(jié)

利用ROHM開發(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(shù)，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(qū)動”為關(guān)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(shù)Nano技術(shù)（Nano Pulse Control※1和Nano Energy）。這些技術(shù)不是僅對特定領域有效的技術(shù)，而是因其出色的性能而可以在更廣泛的領域中應用的技術(shù)，這一點是這些技術(shù)共同具備的特點。未來，ROHM將會繼續(xù)擴大搭載了Nano技術(shù)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(shù)，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(nèi)的“安裝面積小型化”。

【關(guān)于ROHM（羅姆）】

ROHM成立于1958年，由最初的主要產(chǎn)品-電阻器的生產(chǎn)開始，歷經(jīng)半個多世紀的發(fā)展，已成為全球知名的半導體廠商。ROHM的企業(yè)理念是：“我們始終將產(chǎn)品質(zhì)量放在第一位。無論遇到多大的困難，都將為國內(nèi)外用戶源源不斷地提供大量優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，并為文化的進步與提高作出貢獻”。

ROHM的生產(chǎn)、銷售、研發(fā)網(wǎng)絡遍及世界各地。產(chǎn)品涉及多個領域，其中包括IC、分立式元器件、光學元器件、無源元器件、功率元器件、模塊等。在世界電子行業(yè)中，羅姆的眾多高品質(zhì)產(chǎn)品得到了市場的許可和贊許，成為系統(tǒng)IC和最新半導體技術(shù)方面首屈一指的主導企業(yè)。