＜前言＞

近年來(lái)，智能手機等移動(dòng)設備、可穿戴式設備及IoT設備等用電池驅動(dòng)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(shí)現小型化并延長(cháng)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(lái)獲取所需信息的傳感器、進(jìn)行信息通信的無(wú)線(xiàn)設備等組成(圖1)，通過(guò)適當處理這些信息來(lái)實(shí)現各種功能。電源IC的作用是使電池穩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(jìn)入待機狀態(tài)，也需要對外部信號立即響應，因此監測外部信號的功能會(huì )繼續工作。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)現電池長(cháng)時(shí)間續航不可欠缺的因素。

一直以來(lái)，ROHM充分利用模擬設計技術(shù)、電源系統工藝以及垂直統合型生產(chǎn)體制優(yōu)勢，致力于開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的電源IC。如今，實(shí)現可持續發(fā)展社會(huì )已經(jīng)成為全人類(lèi)的強烈要求。實(shí)際上，紐扣電池10年驅動(dòng)技術(shù)也已經(jīng)成為IoT和可穿戴式設備領(lǐng)域的常見(jiàn)關(guān)鍵詞。此次，ROHM針對這種社會(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。這使紐扣電池驅動(dòng)的設備可以輕松實(shí)現連續10年驅動(dòng)。

搭載了該Nano Energy技術(shù)的產(chǎn)品包括“BD70522GUL”。BD70522GUL在支持電池驅動(dòng)的開(kāi)關(guān)穩壓器中，實(shí)現了180nA的世界最小(截至2018年1月ROHM調查數據)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年驅動(dòng)

紐扣電池中最有名的產(chǎn)品是CR2032。這種電池的標稱(chēng)容量為220mAh，是各公司的通用規格。為了使用這種紐扣電池連續10年驅動(dòng)電子設備，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，按照假設電源IC可消耗100mAh來(lái)計算。

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(cháng)電子設備的連續驅動(dòng)時(shí)間并進(jìn)行功能擴展。BD70522GUL將消耗電流削減至180nA，大幅延長(cháng)了電池續航時(shí)間。

削減消耗電流帶來(lái)的課題

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

• 電路面積增加
• 對元件漏電流的影響增加
• 阻抗增加會(huì )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(lái)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(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 )提高對干擾噪聲的靈敏度”是指為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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(jìn)來(lái)噪聲時(shí)，含噪聲端子的電壓到穩定為原電壓之間的時(shí)間常數由π型濾波器的RC決定。該電阻增加會(huì )使時(shí)間常數變大，從而使到達穩定狀態(tài)的時(shí)間變長(cháng)。

“模擬電路的響應速度”是由諸多因素決定的，在此通過(guò)對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(huì )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(guò)這些優(yōu)勢的大融合，對各種課題實(shí)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(lái)介紹以下兩個(gè)主要技術(shù)及其效果。

• 降低基準電壓?jiǎn)卧�和控制監測單元消耗電流的技術(shù)
• 解決控制監測部的低消耗電流、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(kāi)關(guān)穩壓器。對于開(kāi)關(guān)穩壓器來(lái)說(shuō)，當作為負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)的眾多應用中，預計保持間歇工作狀態(tài)的時(shí)間都比較長(cháng)。為此，在BD70522GUL的開(kāi)發(fā)中，深入分析并基于分析結果減少了這種間歇工作時(shí)的電流。

首先，根據分析結果，將間歇工作時(shí)消耗電流的主要原因提煉為基準電壓?jiǎn)卧�和控制監測單元兩處(圖6)。然后，對于這兩個(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(shí)現了效率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。

下面介紹一下解決控制監測部的相互制約的矛盾關(guān)系的技術(shù)。如前所述，減少控制監測部的消耗電流會(huì )導致響應速度惡化。而且，還有一個(gè)由控制監測部決定的重要電路特性。那就是穩定的輸出電壓。以傳統的控制監測部的電路結構，不可能同時(shí)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(guò)全面改善電路結構，成功地使以往無(wú)法同時(shí)實(shí)現的三大特性得以同時(shí)改善。并且實(shí)現了世界最小的無(wú)負載時(shí)消耗電流、負載波動(dòng)時(shí)的高速響應性(Load response)、整個(gè)負載范圍內穩定的輸出電壓(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(kāi)頭所述，該技術(shù)尤其對于待機狀態(tài)長(cháng)、但工作時(shí)需要迅速響應的應用來(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動(dòng)的移動(dòng)設備或安防設備等應用。此外，隨著(zhù)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)穩壓器，還有LDO(Low Drop Out)穩壓器。如今，搭載Nano Energy的LDO穩壓器也已在開(kāi)發(fā)中，ROHM未來(lái)還將繼續提供進(jìn)一步節省空間、降低噪聲的豐富解決方案，為實(shí)現可持續發(fā)展社會(huì )貢獻力量。(圖10)

總結

利用ROHM開(kāi)發(fā)的超低功耗技術(shù)--Nano Energy技術(shù)，可顯著(zhù)降低電源IC的消耗電流。例如，搭載Nano Energy的BD70522GUL實(shí)現了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(guò)Nano Energy技術(shù)，同時(shí)實(shí)現了超低消耗電流、高速響應、輸出電壓的穩定性。這意味著(zhù)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(dòng)”為關(guān)鍵詞的移動(dòng)設備領(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 )繼續擴大搭載了Nano技術(shù)的產(chǎn)品群，以滿(mǎn)足更廣泛的需求，為實(shí)現可持續發(fā)展社會(huì )貢獻力量。

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