可穿戴与物联网用DC/DC:如何实现纳安级消耗电流?

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可穿戴等市场发展快。DC/DC转换器成为影响这些产品电池寿命的重要器件。ROHM的BD70522GUL超轻载消耗电流只有180 nA,通过电路、布局和工艺实现。

可穿戴市场引人关注

目前的消费类电子市场中,手机、PC、平板等产品在之前的几年市场已经爆发,近几年已趋于饱和状态。但是像可穿戴装置和AR/VR产品刚刚开始爆发,在未来有很大的商机,如图1。

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据IDC、CES publication等预计,可穿戴设备(智能手表和手环)的产量到2020年将超过2亿个,如图2。实际上,可穿戴式设备还有智能耳机或家庭物联网器件(例如智能音箱)等。

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电源I3C本身的功耗决定了可穿戴产品的电池寿命

可穿戴设备是典型的降压型应用。移动电子设备的电源需求可以分为升压型、降压型、升降压型三种(如图3)。摇控器、电动牙刷等本身电池里的电压无法直接满足外围线路的供电需求,所以需要有一个升压型的电源来做中间的电压转换的支持。

 

可穿戴产品最大的难点就在于电池的续航时间,这是因为可穿戴产品本身就比较小,因而电池容量也较小。除了电池本身的新材料外,超低功耗电源IC等器件才是真正解决问题的关键。

为了延长电池寿命,可穿戴产品的电源IC本身消耗电流已低至纳安。据ROHM半导体(上海)有限公司设计中心经理陈行乐介绍,ROHM发布一款利用Nano Energy技术的降压型DC/DC转换器IC——BD70522GUL,工作电流只有180nA,是ROHM以往产品的1/140。另外,它还使用了1.78 mm×1.56 mm的超小型封装,因此不仅仅是可穿戴设备,还可以在一些小配件、传感器设备以及能源回收设备中应用。

BD70522GUL的研制考虑

很多可穿戴式IoT设备由纽扣电池驱动,若100 mAh的纽扣电池无负载时可持续工作十年,那么允许消耗电流是1.142 μA。总共允许消耗的电流分为两部分,一部分是传感器、无线IC等,通常使用一次、激活一次,功率是固定的;另外一部分是电源本身消耗的功率。从整个寿命周期来看,电源器件本身的消电要比固定消耗功率的器件还多(如图4)。所以BD70522GUL的开发人员设立了一个小目标——把“电源IC本身的消耗功率+外围”降到1.142 μA。

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*电路设计上如何降低电流?

图5左图是BD70522GUL芯片的工作原理。众所周知,DC/DC本身的消耗,一方面有DC/DC开关损耗,还有一些其他消耗。包括:①外围的反馈电阻有漏电流,会有损耗。例如,用得较多的是反馈电阻在100 kΩ级别,若输出对地有1 V压差,就会有10 μA左右的漏电流。那么如何减少漏电流?可以把电阻往上抬,即提高电阻阻值的数量级,例如提高到1000倍的数量级,这种情况下电流会变得非常小。因此,BD70522GUL的电阻从百k级别提高到M级别,并把电阻放到芯片内部。②另外还会从芯片内部的布局来改善对噪音的敏感度。③最大挑战是响应速度,如果要响应速度快,消耗电流会较大(如图5右图),这是一种反比的技术。因此,目前RPHM掌握的平衡点是100 MΩ左右。

*布局上,超轻负载状态下如何降低功耗?

芯片内部的损耗包括保护电路、基准电压和控制监控等(如图6)。在芯片本身无输出的情况下,其他绝大部分友商的保护电路是要激活的,另外基准电压和控制电压也要激活,ROHM的做法是只有基准电压和控制电压是激活部分,因此电流可以做到非常低。

围绕基准电压和控制监控,需要实现三大电路技术。①超轻负载下损耗最小、功耗最低。②如何减少整个负载范围内的波动。③在全负载范围内可以响应电压负载非常快。

采用ROHM专利的Nano Energy技术,在超轻负载下,BD70522GUL可以做到180 nA消耗电流,在同能功能的机型中,在宽范围实现90%以上的功率转换效率。

Nano Energy创新的细节

Nano Energy是ROHM公司内部的称法,研发始于2014年,是先行电源技术开发法部开发的,复合电源LSI商品开发部负责产品化。该技术采用了适用于模拟技术和低电流消耗的工艺,以及垂直整合型的开发生产体制。即Nano Energy集成了电路设计、布局和工艺三个优势。

*在电路设计方面,主要在基准电压和监控这两部分下的工夫(如图6)。做基准电压消耗部分,主要考虑了两种情况,一是超轻的负载,另一个是重载,即最大能力承受的电流。因为电子产品的负载是会变的,超轻负载瞬间变到重载的情况下,如何平滑地变化,需要在负载波响应上下工夫。

*关于布局(图5),电阻指数型地变大。特别是以往的产品是外置的,如果把电阻放到芯片内部,可以解决针对噪音的敏感度,所以这部分完全靠芯片的布局来做对应改善。

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*工艺方面,特别是电阻,一是要内置,电阻变大对工艺要求非常高。例如电阻从100 kΩ到100 MΩ,电源芯片成本也会上升。因为ROHM是做电阻起家的,在电阻工艺方面拥有核心技术,可把电阻阻值成倍放大以后,同时不增大芯片面积。

应用案例——太阳能收集能量的应用场景

可用于可穿戴产品,延长电池的续航时间。BD70522GUL还有一个应用场景是能量收集设备,可用于可穿戴设备或IoT设备。例如太阳能作为一种非常环保的能源,但发电的转换效率非常低,只有20%左右。因此好不容易把太阳能收集起来,如果没有好好利用的话,在后端损耗掉是非常可惜的。

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为此,ROHM做了一个演示,用太阳能发电板取电,靠电容器蓄电,没有电池供电。靠光照射时,光照越强电压就越高。如果改为微弱的光,产生的电流较小,ROHM的BD70522GUL依旧可以被激活工作(图7左图)。另外一种应用场景:光照得很强,把光熄灭后,这时整套系统靠电容器上的蓄电工作,可见BD70522GUL的掉电速度慢(如图7右图),这是因为BD70522GUL本身消耗电流小,因此电容器上面存储的电能用得久。

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结论

电子产品有的时候会有一些东西是性能过剩,但是对节能来说是不存在性能过剩这个说法的。低电流消耗、低电力消耗,这两点不仅是针对于IoT和可穿戴设备,对于任何一个来说都是很关键的。

ROHM低电流消耗技术Nano Energy融合了ROHM的垂直统和型的生产体制,整合了电路设计、整体布局和工艺。基于Nano Energy的BD70522GUL主要应用在可穿戴和IoT设备中,实现了超轻负载下的180 nA消耗电流。

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