Entwicklung Hintergrund

Die zunehmende Verbreitung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen als Reaktion auf die wachsende Notwendigkeit, die CO₂-Emissionen weltweit zu senken, hat (insbesondere in Europa) die Aufmerksamkeit auf Mild-Hybrid-Fahrzeuge gelenkt, die ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis als Vollhybride bieten. Mild-Hybrid-Systeme verwenden eine 48-V-Lithium-Ionen-Batterie, um eine höhere Effizienz als bei herkömmlichen 12-V-Stromversorgungen zu erzielen. Die vielen Steuergeräte, die in vielen Fahrzeugsystemen verwendet werden, erfordern jedoch niedrigere Spannungen, üblicherweise 3,3 V, aber auch 2,5 V.
Um 48 V in 3,3 V bei einem 2-MHz-Betrieb umzuwandeln (um Störungen mit dem AM-Radiofrequenzen zu vermeiden), werden bei herkömmlichen Lösungen zwei Stromversorgungs-ICs verwendet, wobei die erste Stufe meist eine Zwischenspannung von 12 V erzeugt. In 48-V-Systemen ist es außerdem erforderlich, den Abwärtsbetrieb von einer maximalen Spannung von 60 V auf 2,5 V zu spezifizieren, was bei Verwendung einer einzelnen Wandlerstufe ein extrem hohes Abwärtsverhältnis von 24:1 erfordert.

Technologieentwicklung und Vermarktung

ROHM hat sich das sehr hohe Ziel gesetzt, eine ultraschnelle Pulsregelungs-Technologie (Nano Pulse Control)für monolithische (Single-Chip) DC/DC-Wandler zu entwickeln. Dadurch konnten wir die Einschaltzeit auf beispiellose 9 ns reduzieren, die kleinste Zeit der Welt und eine bahnbrechende Leistung, wenn man bedenkt, dass die typische Einschaltzeit etwa 120 ns beträgt. Ein weiterer großer Vorteil dieser Technologie ist die stabile Steuerung bei extrem schmalen Pulsbreiten.
Bei der Entwicklung wurde mit den Konventionen gebrochen, indem wir unsere eigene analoge Designtechnologie und unser Fachwissen über Stromversorgungsprozesse zusammen mit unserem vertikal integrierten Produktionssystem nutzten. Der monolithische Abwärts-DC/DC-Wandler BD9V100MUF mit integriertem MOSFET ermöglicht eine direkte Umwandlung von 60 V auf 2,5 V.

Eine Welt der Möglichkeiten

Die Entwicklung eines DC/DC-Wandlers, der in der Lage ist, mit einem einzigen Chip von 60 V auf 2,5 V umzuwandeln, reduziert die Anzahl der Bauteile im Vergleich zu herkömmlichen 2-Chip-Systemen erheblich. Insbesondere bei höheren Frequenzen ist es möglich, die Größe der Spule stark zu reduzieren.

Die Anwender haben dadurch die Möglichkeit das Design zu vereinfachen, die Größe der Anwendung zu reduzieren und gleichzeitig die Kosten zu senken. Die Minimierung der Größe und der Kosten von 48-V-Stromversorgungssystemen, die beispielsweise für Mild-Hybrid-Autos, Industrieroboter und die Stromversorgung von Basisstationen verwendet werden, wird voraussichtlich zum Fortschritt der Gesellschaft beitragen.

Neben dem BD9V100MUF wird ROHM auch weiterhin Produkte mit Nano Pulse Control entwickeln, um die Anforderungen der Kunden zu erfüllen.

Entwicklung Hintergrund

Im Bereich der elektronischen Geräte zieht neben der zunehmenden Funktionalität von Smartphones und der weit verbreiteten Nutzung von Wearables auch die Einführung von IoT-Geräten, die ohne menschliches Zutun drahtlos zwischen Geräten kommunizieren können, die Aufmerksamkeit auf sich. In vielen Fällen werden diese Geräte mit Batterien betrieben, dies macht es notwendig, den Stromverbrauch zu senken. Obwohl die Verbesserung des Designs und die Integration neuer Funktionen voranschreiten, ist auch die Miniaturisierung ein wichtiger Faktor, der zu kleineren Antriebsbatterien führt. Es gibt eine große Anzahl von Geräten, bei denen die Wartung (d. h. der Batteriewechsel) nicht regelmäßig durchgeführt werden kann, insbesondere auf dem IoT-Markt, was die Nachfrage nach einem Langzeitbetrieb (10 Jahre) mit einer einzigen Münzbatterie antreibt.
Als Reaktion auf diese Markttrends begann ROHM mit der Entwicklung von Technologien zur deutlichen Senkung des Stromverbrauchs von ICs. Zu Beginn lag der niedrigste Stromverbrauch in der Branche für Stromversorgungs-ICs bei 360 nA. Dies war die Grundlage für unser Bestreben.

Technologieentwicklung und Vermarktung

Die erste Möglichkeit zur Senkung des Stromverbrauchs besteht darin, den Widerstandswert der Schaltung zu erhöhen, was jedoch zu Problemen wie Leckströmen, erhöhter Rauschempfindlichkeit und verringerter Reaktionsgeschwindigkeit führen kann. Daraufhin hat ROHM Nano Energy entwickelt, eine bahnbrechende Technologie, die den Stromverbrauch bei sehr kleinen Lasten senkt und gleichzeitig den daraus resultierenden Trade-Off minimiert. Das Ergebnis ist ein Stromverbrauch von 180 nA, der kleinste der Welt*.

Diese Technologie wurde für die Entwicklung des BD70522GUL DC/DC-Wandlers verwendet, der bei Leerlauf (Standby) eine doppelt so lange Batterielaufzeit wie herkömmliche Produkte bietet. Darüber hinaus wird eine hohe Leistungseffizienz von 90 % im größten Strombereich der Branche ermöglicht: 10 uA bis 500 mA. ROHM war in der Lage, diese Eigenschaften zu erreichen, indem es proprietäre Schaltkreisdesign-, Layout- und Prozesstechnologien mit seinem ursprünglichen vertikal integrierten Produktionssystem nutzte.

Eine Welt der Möglichkeiten

Die effektvolle Senkung des Stromverbrauchs von Stromversorgungs-ICs im IoT-Bereich hat zu der Forderung geführt, einen Langzeitbetrieb von zehn Jahren Laufzeit mit einer einzigen Münzbatterie zu erreichen. Dies ermöglicht eine Senkung des Arbeitsaufwands und der Kosten für die Gerätewartung, da selbst bei immer kompakteren und multifunktionalen Wearables ein Langzeitbetrieb mit kleinen Batterien möglich ist.

Darüber hinaus wird es möglich sein, den Betrieb auch in Umgebungen mit extrem niedrigem Stromverbrauch aufrechtzuerhalten, wie z. B. bei Energy-Harvesting-Systemen, die geringe Mengen an Strom aus Licht, Wärme und Vibrationen erzeugen (was in einer Reihe von Bereichen zunehmend zum Einsatz kommen dürfte).
Bei ROHM wird Nano Energy als Kerntechnologie eingesetzt, um das Angebot an Stromversorgungs-ICs zu erweitern und so eine Reihe von Kundenanforderungen zu erfüllen. Gleichzeitig planen wir, den Einsatz von PMICs (Power Management ICs) zu fördern.

Entwicklung Hintergrund

ROHM ist bestrebt, die Entwicklung der Nano Cap™-Technologie weiter voranzutreiben, um den Bedarf an Kondensatoren vollständig abzuschaffen und gleichzeitig die Anwendung dieser Technologie nicht nur auf Linearregler, sondern auch auf Operationsverstärker, LED-Treiber und andere analoge ICs auszuweiten, die durch die effektive Nutzung von Ressourcen und die Minimierung der Umweltbelastung einen Beitrag zur Gesellschaft leisten.

Einzelheiten zur Technologie

Die Nano-Cap-Technologie bietet eine stabile Regelung des Linearreglerausgangs, indem sie das Ansprechverhalten in analogen Schaltungen verbessert und parasitäre Faktoren im Zusammenhang mit der Verdrahtung und den Verstärkern minimiert. Dadurch lässt sich die Ausgangskapazität auf weniger als 1/10 der herkömmlichen Lösungen reduzieren.

Schaltungen mit einem Linearregler und einer MCU, die normalerweise einen 1-µF-Kondensator am Ausgang des Linearreglers und einen 100-nF-Kondensator am Eingang der MCU benötigen, erreichen mit ROHMs Nano Cap™-Linearreglertechnologie einen stabilen Betrieb mit einem 100-nF-Kondensator auf der MCU-Seite.

Bei einer von der Industrie geforderten Ausgangsspannungsschwankung von maximal ± 5,0 % (mit Fokus auf den Schwankungen) in Bezug auf eine 50-mA-Laststromschwankung bei 100 nF Kapazität erreichen die mit Nano Cap ausgestatteten ICs einen stabilen Betrieb von ± 3,6 %. Im Vergleich dazu kann die Ausgangsspannung mit konventionellen Linearreglern um bis zu ± 15,6 % schwanken.