來(lái)源:王瑩主編
可穿戴等市場(chǎng)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(guò)電路、布局和工藝實(shí)現(xiàn)。
可穿戴市場(chǎng)引人關(guān)注
目前的消費(fèi)類電子市場(chǎng)中,手機(jī)、PC、平板等產(chǎn)品在之前的幾年市場(chǎng)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(kāi)始爆發(fā),在未來(lái)有很大的商機(jī)。
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(guò)2億個(gè)。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。搖控器、電動(dòng)牙刷等本身電池里的電壓無(wú)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(lái)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(wèn)題的關(guān)鍵。
為了延長(zhǎng)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(lè)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(wú)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(lái)看,電源器件本身的消電要比固定消耗功率的器件還多。所以BD70522GUL的開(kāi)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?
眾所周知,DC/DC本身的消耗,一方面有DC/DC開(kāi)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(duì)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(lái)改善對(duì)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,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。在芯片本身無(wú)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)載非常快。
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(kāi)發(fā)法部開(kāi)發(fā)的,復(fù)合電源LSI商品開(kāi)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(kāi)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(shì)。
*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。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)?a target="_blank">電子產(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,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(duì)噪音的敏感度,所以這部分完全靠芯片的布局來(lái)做對(duì)應(yīng)改善。
*工藝方面,特別是電阻,一是要內(nèi)置,電阻變大對(duì)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(yáng)能收集能量的應(yīng)用場(chǎng)景
可用于可穿戴產(chǎn)品,延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間。BD70522GUL還有一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)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(yáng)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(yáng)能收集起來(lái),如果沒(méi)有好好利用的話,在后端損耗掉是非常可惜的。
為此,ROHM做了一個(gè)演示,用太陽(yáng)能發(fā)電板取電,靠電容器蓄電,沒(méi)有電池供電。靠光照射時(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(chǎng)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(jiàn)BD70522GUL的掉電速度慢,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(guò)剩,但是對(duì)節(jié)能來(lái)說(shuō)是不存在性能過(guò)剩這個(gè)說(shuō)法的。低電流消耗、低電力消耗,這兩點(diǎn)不僅是針對(duì)于IoT和可穿戴設(shè)備,對(duì)于任何一個(gè)來(lái)說(shuō)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。基于Nano 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。
審核編輯黃昊宇
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