全新突破车载半导体领域的电源IC技术

电子

　　前言
　　如今，全球主要的汽车制造商为了应对环境问题，都在规划HEV和EV的开发与扩大投入。然而，由于EV以电池和电机为主动力，在现阶段，与燃油动力车相比，行驶距离较短，要实现普及还存在诸多课题。因此，以欧洲已普及的高效低油耗柴油发动机为基础，在其上附加混合动力系统的柴油混合动力的开发日益进步。
　　在这种情况下，汽车制造商提出了环保、高附加值、高功能的配件开发需求。与以往一样，伴随这些汽车制造商的发展动向，车载应用的多功能化日益发展，车用电子配件呈逐年增加趋势。另外，即使是面向新兴国家的低成本车、小型车也一样，对于汽车开发来说，电子配件的增加是不可避免的，而且，产品越来越需要比以往任何时候更注重制造成本与附加值。
　　此次，将介绍一下车载半导体中使车载应用程序工作所必需的电源。电源IC可分为系列电源和开关电源两大类，罗姆的电源开发不仅要满足前述要求，而且在每种电源开发中一直致力于新技术的开发。当然，电源IC的高频动作化、高效化等基本性能特性提升是首当其冲的，除此以外，罗姆不断推进满足市场特有需求的电源IC的开发。其巨大的要求之一是“消耗电流更低”.这属于市场需求中的“附加值”范畴。
　　罗姆为“车载半导体”量身定制“电源IC”新技术
　　随着车载配件使用数量的增加，当务之急是降低每一个配件所需的消耗电流。针对这种情况，为实现车载应用中的更低功耗，往往通过最大限度地控制常时工作所需的配置来实现低功耗化。而“电源IC的低功耗化”技术则需要满足每一个配件的低功耗化和上述常时工作微控制器电源的低功耗化需求。

　　[图1] 停车时动作功能示例

　　发动机未启动仅电池通电时车的待机状态和停车时（熄火）等工作的功能，其低功耗尤为重要。在发动机未启动时，有空调、电动车窗等；近来，随着电动助力转向化的发展，一般都配置发动机停止时的转向角检测等功能；在停车时（熄火），有汽车导航系统、安全系统、时钟等（图1）。这些功能的电力都由主电池、蓄电池供给。
　　另外，由于汽车是以整车状态进行长时间运输的，因此积蓄在电池中的电量在运输中逐渐消耗，到达目的地时，有时会发生电池电量耗尽的情况。作为对策，往往采用摘掉电池的方法进行运输，但到达目的地时需要安装，增加了工序，整体制造成本增加。所以，随着汽车的多功能化发展，降低电池耗电成为当务之急。作为这些问题的对策，降低电源IC的消耗电流是很有效的手段（图2）。

[图2] 汽车的低消耗电流化

　　罗姆研发的“BD7xxLx系列”实现了“电路电流6μA”的技术革新
　　在系列电源领域，罗姆从2005年开始开发了当时世界顶级低消耗电流LDO（Low Drop Out）--BD393x/394x系列。该系列产品的电路电流仅为30μA,表现非常优异；同时，还是作为车载IC具备可在苛刻条件下使用的高可靠性的IC产品。其后罗姆继续走在系列电源低功耗化领域的前沿，此次，又开发出消耗电流更低的BD7xxLx系列。该系列产品的消耗电流仅为车载应用中所需消耗电流的1/3以下，电路电流与以往IC相比降低到1/5,仅为6μA（图3）。这是车用电源IC领域中全球顶级低消耗电流的LDO产品。

[图3] 罗姆电路电流的推移

　　BD7xxLx系列产品不仅在负载电流为“0”时的电路电流很少，而且在有输出负载经过时，IC本身的电路电流也不会增加。这也是力求区别于其他电源IC之处。虽然依存于负载电流的电路电流的增加量与负载电流相比较少，但车辆要求的高温环境中，电路电流的功耗可能会成为问题，因此罗姆致力于实现彻底的低消耗电流化。但是，要实现更低消耗电流存在几个瓶颈。为了解决这些瓶颈，需要利用罗姆积累的技术及其应用（图4）。

[图4] 低待机电流化的瓶颈

　　为了抑制消耗电流必须内置大电阻，这样无法比以往产品实现进一步小型化，从而导致芯片尺寸增加、制造成本增加。这对于低成本化来说是巨大的障碍。另外，内置大电阻时，可能容易受到外部噪音的影响。
　　另外，即使不是大电阻，由于采用低消耗电流技术的电源IC的电流值很小，更容易受外部噪音的影响。因此，确保产品的抗噪音性能比以往任何时候都尤显重要。
　　其次，还有电路响应性恶化问题。减少电路电流就会减少驱动电流，直接导致电路动作延迟。因此，担心IC输入变动时的输出稳定性等会因电路动作延迟而比以往恶化，还担心导致IC启动时的延迟启动时间增加。电源IC的输入端子直接连接于电池，电池电压虽然在一定程度上保持稳定，但并不能定位为稳定的电源装置。特别是当发动机启动时和车辆的各功能工作时，电池电位会变动。所以，输入电压变动时的输出电压稳定性是重要的特性。
　　再者，高温工作下容易受泄漏电流的影响，这也是问题之一。泄漏电流虽然微小，但由于内置前述大电阻，因此泄漏电流与内置电阻产生的电压引起误动作的可能性很高。
　　罗姆的新商品群BD7xxLx系列针对这些瓶颈、担心，利用一直以来积累的待机电流电路技术，通过导入新电路、优化布局等，成功开发出实现业界顶级低消耗电流、同时具备与以往电源IC同等的基本特性的商品。
　　该系列商品的产品阵容中，具备3.3V、5.0V两种输出电压，根据用途具备200mA与500mA两种输出电流能力。封装为SMD封装、支持基板更节省空间的SOP型封装等，从小型封装到散热特性卓越的封装，具备满足客户使用用途的强大阵容（图5）。

[图5] BD7xxLx系列产品阵容

　　罗姆不断推进20μA待机电流的开关电源开发
　　在开关电源领域，罗姆正在开发实现20μA待机电流的系列产品。不仅实现以往开关电源在重负载时的高效率，而且通过SLLMTM （Simple Light Load Mode:简单轻负载模式）在轻负载时也可实现低消耗电流、高效率，其特点是有助于上述LDO同样待机电流的设计。
　　开关电源的低待机电流化也存在与LDO同样的瓶颈，但开关电源还存在比LDO电路结构复杂且构成要素较多的问题，由于驱动IC的消耗电流要素增加，而且正在进行开关动作，因此降低开关电路的功耗通常较为困难。另外，在过负载时通过开关动作可以抑制功率损耗，但轻负载时很难保持其效率。
　　本系列产品，在负载小时自动切换为SLLMTM.这种SLLMTM是抽取不要的开关脉冲，在下一次开关开始之前的区间，仅由必要的、最低限度的控制电路工作，其他电路在低消耗电流状态下待机。
　　罗姆的车用开关电源，通过导入这种SLLMTM,实现了轻负载时的低功耗化，而且过负载时的功耗与以往产品相比也能保持一样的效率。
　　开关电源与系列电源相比，因其高效性被定位为配件使用数量增加带来的发热、负载电流增加等问题的有效对策。系列电源与开关电源相比，因外置配件较少、电路结构简单等而在成本方面占有优势。系列电源与开关电源往往根据情况被区分使用，但今后开关电源应该会成为低功耗电源的主流。
　　综上所述，作为罗姆未来的开发方向，将是针对低功耗设计的市场需求，不仅降低电路电流，而且通过提高开关电源的功率转换效率（90%以上）和开关动作频率（2MHz以上），从而实现高响应性以及线圈电容等配件的小型化等，不断加强完善罗姆产品阵容的开发。

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