Extrem niedrige Stromaufnahme mit der Nano-Energy-Technologie

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ROHM Semiconductor GmbH

Elektronische Komponenten in batteriebetriebenen Geräten sollen möglichst kompakt und dabei sehr energieeffizient sein. ROHM hat dafür mit der Nano-Energy-Technologie, die sich durch extrem niedrige Stromaufnahme auszeichnet, Ultra-Low-Power Stromversorgungs-ICs entwickelt.

In den letzten Jahren hat die Verbreitung von batteriebetriebenen elektronischen Geräten, einschließlich Wearables und IoT-Geräten, sowie von tragbaren Geräten wie Smartphones stark zugenommen. Die elektronischen Komponenten, aus denen diese Systeme bestehen, müssen miniaturisiert werden, um das Design zu verbessern und Platz für neue Funktionen zu schaffen. Gleichzeitig ist eine geringere Stromaufnahme erforderlich, um die Lebensdauer der Batterien zu verlängern.

Batteriebetriebene elektronische Geräte wie Wearables und IoT-Geräte sowie tragbare Geräte wie Smartphones haben typischerweise eine CPU, die für die Steuerung des gesamten Systems zuständig ist, Sensoren für die Erfassung der erforderlichen Umgebungsdaten und Funkkomponenten für die Kommunikation. Die optimierte Verarbeitung dieser Informationen ermöglicht eine Vielzahl von Funktionen.

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Zusätzlich wird oft ein Stromversorgungs-IC benötigt, der aus der Batterie eine stabile Spannung für den Betrieb aller Komponenten bereitstellt. Da elektronische Geräte auch im Standby-Betrieb sofort auf externe Signale reagieren müssen, ist eine Funktion zur kontinuierlichen Überwachung notwendig. Aufgrund dieser Funktion muss auch der Stromversorgungs-IC kontinuierlich arbeiten. Daher muss die Stromaufnahme des Power-ICs reduziert werden, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

ROHM hat einen Stromversorgungs-IC entwickelt, der die Anforderungen des Marktes erfüllt, indem er ein vertikal integriertes Produktionssystem zusammen mit analoger Designtechnologie und Stromversorgungsprozessen nutzt. In unserer Gesellschaft nimmt das Bewusstsein für nachhaltige Produktionsprozesse und Produkte stetig zu. Tatsächlich ist der „Zehn-Jahres-Betrieb mit einer Knopfzelle“ zu einem Schlüsselbegriff in den Bereichen IoT und Wearables geworden. Um den Anforderungen des Marktes gerecht zu werden, hat ROHM die so genannte Nano-Energy-Technologie mit extrem niedriger Stromaufnahme eingesetzt, um einen Ultra-Low-Power Stromversorgungs-IC zu entwickeln, der es ermöglicht, einen kontinuierlichen 10-jährigen Betrieb mit einer einzigen Knopfzelle zu erreichen.

Die Nano-Energy-Technologie sorgt für eine stabile Steuerung der Impulsbreite: Die Impulsbreite wird so schmal wie möglich gewählt, um ein Ein-Chip-Stromversorgungssystem in Umgebungen mit hohem Abwärtsverhältnis und einer kleineren Einbaufläche (inklusive Spule) zu erreichen. Der ROHM-Schaltregler BD70522GUL nutzt die Nano-Energy-Technologie, um eine Stromaufnahme von nur 180 nA zu erreichen, nach eigenen Angaben die niedrigste in der Branche (Bild 2). Als nächstes wird die Nano-Energy-Technologie näher betrachtet.

Zehn Jahre Betrieb mit einer einzigen Knopfzelle

Das bekannteste Beispiel einer Knopfzelle ist die CR2032. Die Batteriekapazität beträgt typischerweise 220 mAh, wobei die Spezifikationen von verschiedenen Herstellern übereinstimmen. Um einen kontinuierlichen Betrieb von zehn Jahren mit einer Knopfzelle zu erreichen, muss zunächst die erforderliche Stromaufnahme für den Stromversorgungs-IC berechnet werden. Allerdings ist zu beachten, dass nicht die gesamte Batteriekapazität vom Stromversorgungs-IC aufgenommen wird. Viele Berechnungen gehen davon aus dass der Anteil der Stromaufnahme des Stromversorgungs-ICs bei etwa 100 mAh liegt. Dies ermöglicht folgende Rechnung:

I_CC (Stromaufnahme) = 100 mAh (Batteriekapazität)/87.600 h (10 Jahre) = 1 µA (Bild 3).

1 µA ist also die zulässige durchschnittliche Stromaufnahme des Stromversorgungs-ICs. Mit anderen Worten, die Stromaufnahme des Stromversorgungs-ICs muss in der Größenordnung von nA liegen. Eine weitere Einschränkung der IC-Stromaufnahme ermöglicht eine Erweiterung der Funktionalität bei kontinuierlichem Betrieb, ohne die Batteriekapazität erhöhen zu müssen. Der BD70522GUL wird diesen Anforderungen mit einer Stromaufnahme von nur 180 nA gerecht.

Technische Probleme bei reduzierter Stromaufnahme

Der einfachste Weg, die Stromaufnahme in Stromversorgungs-ICs zu reduzieren, ist die Erhöhung des Innenwiderstandes. Eine einfache Erhöhung des Widerstandes kann jedoch eine Reihe von Problemen verursachen.

• Größere Fläche der Schaltung,

• verstärkte Effekte im Hinblick auf Leckströme,

• höhere Empfindlichkeit auf externes Rauschen aufgrund der größeren Impedanz,

• reduzierte Ansprechgeschwindigkeit der analogen Schaltung.

Größere Fläche der Schaltung bezieht sich auf die Vergrößerung der Fläche der Widerstandskomponente infolge der Widerstandserhöhung.

Verstärkte Effekte im Hinblick auf Leckströme der Komponenten sind auf Probleme mit den MOSFETs zurückzuführen, aus denen sich der Stromversorgungs-IC zusammensetzt. Auch im OFF-Zustand des Transistors fließt ein konstanter Leckstrom. Dieser Leckstrom tritt in der internen Schaltung und in der Endstufe auf. Normalerweise ist der in den Feedback-Widerstand fließende Leckstrom (Bild 4) so klein, dass er im Verhältnis zu dem aktiven Ausgangsstrom als vernachlässigbar betrachtet werden kann. Nun werden aber die Ausgangsströme in batteriebetriebenen Anwendungen immer weiter reduziert, so dass die Auswirkungen des Leckstroms nicht mehr ignoriert werden können.

Für die Betrachtung der höheren Empfindlichkeit auf externes Rauschen aufgrund der größeren Impedanz wird (der Einfachheit halber) ein Pi-Filter angenommen, das über einen Widerstand angeschlossen ist. Wenn an einem Ende eine Spannung angelegt wird und am anderen Ende ein Rauschen eintritt, wird die Zeitkonstante, bis sich die Spannung auf die eingestellte Spannung einpendelt, durch RC des Pi-Filters bestimmt. D.h. mit zunehmendem Widerstand steigt auch die Zeitkonstante, und die Zeit bis zum Erreichen eines stabilen Zustandes wird länger.

Die Ansprechgeschwindigkeit der analogen Schaltung wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt. Hier wird der Fall des Aufladens des Kondensators betrachtet. Die Zeit, die die Ladung benötigt, um eine bestimmte Betriebsspannung zu erreichen, ist die Ansprechgeschwindigkeit. Sie ist proportional zum Ladestrom und nimmt folglich mit zunehmender Stromaufnahme ab.

Meistern der Herausforderungen mit der Nano-Energy-Technologie und den daraus resultierenden Eigenschaften

Als Antwort auf die oben genannten Probleme hat ROHM die Nano-Energy-Technologie entwickelt, die analoge Schaltungstechnik, Prozesse und Layout mit einem vertikal integrierten Produktionssystem kombiniert. Durch diese Kombination ist es ROHM gelungen, optimierte Gegenmaßnahmen für eine Vielzahl von Herausforderungen zu realisieren. Als Beispiel für die Schaltungsentwicklung für die im BD70522GUL verwendete Nano-Energy-Technologie werden hier zwei Technologieelemente und deren Ergebnisse vorgestellt.

• Reduzierung der Stromaufnahme in den Referenzspannungs- und Kontrollbausteinen,

• Überwindung des Widerspruchs zwischen hoher Genauigkeit, schnellem Ansprechverhalten und geringer Stromaufnahme im Kontrollblock.

Der BD70522GUL ist ein Abwärtsschaltregler. In einem Schaltregler ermöglicht das Umschalten auf Intervallbetrieb, wenn der Ausgangsstrom (Last) kleiner als ein bestimmter Wert wird, eine Reduzierung der Stromaufnahme unter Beibehaltung der Ausgangsspannung. In vielen Anwendungen, in denen Nano Energy benötigt wird, sollte der Intervallbetrieb die Betriebszeit verlängern. Für den BD70522GUL wurde eine gründliche Analyse der Stromaufnahme im Intervallbetrieb durchgeführt und auf Basis der Ergebnisse eine Optimierung vorgenommen.

Mit den Analyseergebnissen wurden zunächst die wichtigsten Ursachen der Stromaufnahme auf zwei Bereiche, die Referenzspannungs- und Kontrollblöcke, eingegrenzt (Bild 6). Als nächstes wurde eine optimierte Reduktionsmethode angewandt, die es ermöglichte, den Stromverbrauch in jedem Block um das 100-fache gegenüber herkömmlichen Produkten zu reduzieren. Dadurch konnte der Wirkungsgrad, die wichtigste Eigenschaft von Stromversorgungs-ICs, bei einem Laststrom von 10 µA im Standby der nachfolgenden Stufe auf über 90% gesteigert werden (Bild 7). Darüber hinaus können diese Eigenschaften über einen weiten Bereich bis zu einem Laststrom von 500 mA beibehalten werden.

Im Folgenden wird die Technologie zur Überwindung des Widerspruchs im Kontrollblock beschrieben. Wie bereits erwähnt, verschlechtert sich die Ansprechgeschwindigkeit, wenn die Stromaufnahme im Kontrollblock reduziert wird. Es gibt noch eine weitere wichtige Schaltungscharakteristik, die durch den Kontrollblock bestimmt wird, nämlich eine stabile Ausgangsspannung. In der Schaltungskonfiguration einer konventionellen Regelungsüberwachung ist es nicht möglich, gleichzeitig ein schnelles Ansprechverhalten, geringe Stromaufnahme und hohe Genauigkeit zu erreichen. Im Gegensatz dazu nutzt der BD70522GUL ROHMs Nano-Energy-Technologie, welche nach einer gründlichen Überprüfung der Schaltungskonfiguration entwickelt wurde, um alle drei Eigenschaften zu erreichen. So konnte die branchenweit niedrigste Leerlaufstromaufnahme sowie ein schnelles Ansprechverhalten bei Lastschwankungen (Lastverhalten) und eine stabile Ausgangsspannung (Lastregelung) über den gesamten Lastbereich erreicht werden (Bilder 8 und 9).

Nano Energy erweitert das Anwendungsspektrum

Nano Energy verspricht, eine äußerst effektive Technologie zur Reduzierung der Stromaufnahme zu sein, was in allen Anwendungen, die eine Stromversorgung benötigen, ein ständiges Thema ist. Wie eingangs erwähnt, ist diese Technologie ideal für Geräte, die lange Standby-Zeiten und ein schnelles Ansprechverhalten im Betrieb erfordern. Mögliche Anwendungen sind z.B. Sicherheits- und tragbare Geräte, die mit Li-Ionen-Batterien und Knopfzellen betrieben werden. Und in den letzten Jahren hat die zunehmende Digitalisierung von Fahrzeugen den Einsatz dieser Technologie in automobilen Systemen vorangetrieben. ROHMs Stromversorgungs-IC-Linie umfasst nicht nur Schaltregler, sondern auch LDO-Regler (Linear Drop Out). Das Unternehmen hat bereits mit der Entwicklung von LDOs mit Nano-Energy-Technologie begonnen und wird weiterhin Lösungen vorschlagen, die eine größere Platzersparnis bei geringerem Rauschen ermöglichen, um zu einer nachhaltigen Gesellschaft beizutragen (Bild 10).

Extrem stromsparende Nano-Energy-Technologie

Die von ROHM entwickelte Nano-Energy-Technologie ist eine extrem stromsparende Technologie, die die Stromaufnahme des Stromversorgungs-ICs drastisch reduziert. Dadurch erreicht der BD70522GUL mit Nano-Energy-Technologie eine Stromaufnahme von nur 180 nA, die niedrigste der Branche. Und als Reaktion auf mögliche Einschränkungen durch die Reduzierung der Stromaufnahme ermöglicht die Nano-Energy-Technologie dem BD70522GUL gleichzeitig ein schnelles Ansprechverhalten, eine stabile Ausgangsspannung und eine extrem niedrige Stromaufnahme. Dies erlaubt es, Lösungen für eine breitere Palette von Anwendungen vorzuschlagen, einschließlich Automobilsystemen, die eine zunehmende Digitalisierung verzeichnen, und tragbaren Geräten, die zehn Jahre mit einer einzigen Knopfzelle betrieben werden müssen.

ROHM bietet derzeit zwei fortschrittliche Stromversorgungs-IC-Technologien an, Nano Energy und Nano Pulse Control. Diese Technologien sind nicht nur für bestimmte Märkte geeignet, sondern auch für Bereiche, die eine höhere Leistungsfähigkeit erfordern. Auch in Zukunft wird das Angebot an Nanotechnologie weiter ausgebaut, um den Marktbedürfnissen gerecht zu werden und eine nachhaltige Gesellschaft zu erreichen.

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* Raimund Wagner ist Marketing Product Manager bei ROHM Semiconductor Europe in Düsseldorf.

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