可穿戴與IoT用DC/DC：如何實現納安級消耗電流？ 　

作者 / 迎九 《電子產品世界》編輯

摘要：可穿戴等市場發展快。DC/DC轉換器成為影響這些產品電池壽命的重要器件。ROHM的BD70522GUL超輕載消耗電流只有180 nA，通過電路、布局和工藝實現。

可穿戴市場引人關注

　　目前的消費類電子市場中，手機、PC、平板等產品在之前的幾年市場已經爆發，近幾年已趨于飽和狀態。但是像可穿戴裝置和AR/VR產品剛剛開始爆發，在未來有很大的商機，如圖1。

　　據IDC、CES publication等預計，可穿戴設備(智能手表和手環)的產量到2020年將超過2億個，如圖2。實際上，可穿戴式設備還有智能耳機或家庭物聯網器件(例如智能音箱)等。

電源IC本身的功耗決定了可穿戴產品的電池壽命

　　可穿戴設備是典型的降壓型應用。移動電子設備的電源需求可以分為升壓型、降壓型、升降壓型三種(如圖3)。搖控器、電動牙刷等本身電池里的電壓無法直接滿足外圍線路的供電需求，所以需要有一個升壓型的電源來做中間的電壓轉換的支持。

　　可穿戴產品最大的難點就在于電池的續航時間，這是因為可穿戴產品本身就比較小，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題的關鍵。

　　為了延長電池壽命，可穿戴產品的電源IC本身消耗電流已低至納安。據ROHM半導體(上海)有限公司設計中心經理陳行樂介紹，ROHM發布一款利用Nano Energy技術的降壓型DC/DC轉換器IC——BD70522GUL，工作電流只有180nA，是ROHM以往產品的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備，還可以在一些小配件、傳感器設備以及能源回收設備中應用。

BD70522GUL的研制考慮

　　很多可穿戴式IoT設備由紐扣電池驅動，若100 mAh的紐扣電池無負載時可持續工作十年，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。從整個壽命周期來看，電源器件本身的消電要比固定消耗功率的器件還多(如圖4)。所以BD70522GUL的開發人員設立了一個小目標——把“電源IC本身的消耗功率+外圍”降到1.142 μA。

　　*電路設計上如何降低電流?

　　圖5左圖是BD70522GUL芯片的工作原理。眾所周知，DC/DC本身的消耗，一方面有DC/DC開關損耗，還有一些其他消耗。包括：①外圍的反饋電阻有漏電流，會有損耗。例如，用得較多的是反饋電阻在100 kΩ級別，若輸出對地有1 V壓差，就會有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量級，例如提高到1000倍的數量級，這種情況下電流會變得非常小。因此，BD70522GUL的電阻從百k級別提高到M級別，并把電阻放到芯片內部。②另外還會從芯片內部的布局來改善對噪音的敏感度。③最大挑戰是響應速度，如果要響應速度快，消耗電流會較大(如圖5右圖)，這是一種反比的技術。因此，目前RPHM掌握的平衡點是100 MΩ左右。

　　*布局上，超輕負載狀態下如何降低功耗?

　　芯片內部的損耗包括保護電路、基準電壓和控制監控等(如圖6)。在芯片本身無輸出的情況下，其他絕大部分友商的保護電路是要激活的，另外基準電壓和控制電壓也要激活，ROHM的做法是只有基準電壓和控制電壓是激活部分，因此電流可以做到非常低。

　　圍繞基準電壓和控制監控，需要實現三大電路技術。①超輕負載下損耗最小、功耗最低。②如何減少整個負載范圍內的波動。③在全負載范圍內可以響應電壓負載非常快。

　　采用ROHM專利的Nano Energy技術，在超輕負載下,BD70522GUL可以做到180 nA消耗電流，在同能功能的機型中，在寬范圍實現90%以上的功率轉換效率。

　　Nano Energy創新的細節

　　Nano Energy是ROHM公司內部的稱法，研發始于2014年，是先行電源技術開發法部開發的，復合電源LSI商品開發部負責產品化。該技術采用了適用于模擬技術和低電流消耗的工藝，以及垂直整合型的開發生產體制。即Nano Energy集成了電路設計、布局和工藝三個優勢。

　　*在電路設計方面，主要在基準電壓和監控這兩部分下的工夫(如圖6)。做基準電壓消耗部分，主要考慮了兩種情況，一是超輕的負載，另一個是重載，即最大能力承受的電流。因為電子產品的負載是會變的，超輕負載瞬間變到重載的情況下，如何平滑地變化，需要在負載波響應上下工夫。

　　*關于布局(圖5)，電阻指數型地變大。特別是以往的產品是外置的，如果把電阻放到芯片內部，可以解決針對噪音的敏感度，所以這部分完全靠芯片的布局來做對應改善。

　　*工藝方面，特別是電阻，一是要內置，電阻變大對工藝要求非常高。例如電阻從100 kΩ到100 MΩ，電源芯片成本也會上升。因為ROHM是做電阻起家的，在電阻工藝方面擁有核心技術，可把電阻阻值成倍放大以后，同時不增大芯片面積。

應用案例——太陽能收集能量的應用場景

　　可用于可穿戴產品，延長電池的續航時間。BD70522GUL還有一個應用場景是能量收集設備，可用于可穿戴設備或IoT設備。例如太陽能作為一種非常環保的能源，但發電的轉換效率非常低，只有20%左右。因此好不容易把太陽能收集起來，如果沒有好好利用的話，在后端損耗掉是非常可惜的。

　　為此，ROHM做了一個演示，用太陽能發電板取電，靠電容器蓄電，沒有電池供電。靠光照射時，光照越強電壓就越高。如果改為微弱的光，產生的電流較小，ROHM的BD70522GUL依舊可以被激活工作(圖7左圖)。另外一種應用場景：光照得很強，把光熄滅后，這時整套系統靠電容器上的蓄電工作，可見BD70522GUL的掉電速度慢(如圖7右圖)，這是因為BD70522GUL本身消耗電流小，因此電容器上面存儲的電能用得久。

結論

　　電子產品有的時候會有一些東西是性能過剩，但是對節能來說是不存在性能過剩這個說法的。低電流消耗、低電力消耗，這兩點不僅是針對于IoT和可穿戴設備，對于任何一個來說都是很關鍵的。

　　ROHM低電流消耗技術Nano Energy融合了ROHM的垂直統和型的生產體制，整合了電路設計、整體布局和工藝。基于Nano Energy的BD70522GUL主要應用在可穿戴和IoT設備中，實現了超輕負載下的180 nA消耗電流。

　　參考文獻：

　　[1]迎九,王金旺.解讀電源三大熱門領域的技術方案[J].電子產品世界,2017(4):12-16

　　[2]迎九.從ISSCC 2018會議看電源管理的五大創新[J].電子產品世界,2017(12):77

　　[3]王瑩,王金旺,Armstong T,等.電源的六大酷領域及動向[J].電子產品世界,2016(4):6-12

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第4期第19頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。