LDO穩(wěn)壓IC增強(qiáng)了移動設(shè)備的高功能性

1、Technical ReviewVol.2LDO穩(wěn)壓 IC 增強(qiáng)了移動設(shè)備的高功能性隨著近年來手機(jī)市場的不斷擴(kuò)大，2017 財(cái)年全球手機(jī)產(chǎn)品年出貨量將超過18億部。由于智能手機(jī)具備傳統(tǒng)功能手機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)功能，所以現(xiàn)已成為日常生活中不可缺少的一部分。為增強(qiáng)以智能手機(jī)為代表的移動設(shè)備的功能，東芝電子元件及存儲裝置株式會社正在推動分立半導(dǎo)體產(chǎn)品的開發(fā)，包括低壓降（LDO）穩(wěn)壓器集成電路（IC ），其特點(diǎn)是具有卓越的電源紋波抑制特性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)以及低功耗特性。1. 前言隨著移動電話市場的增長，2017 財(cái)政年度的手機(jī)產(chǎn)品出貨量將超過18億部。智能手機(jī)作為當(dāng)今移動設(shè)備的典型代表，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ?/p>

2、活中不可或缺的常用工具，其驅(qū)動力在于功能的飛速發(fā)展，而這是傳統(tǒng)功能手機(jī)所無法實(shí)現(xiàn)的。隨著高功能、高附加值移動設(shè)備在世界范圍內(nèi)的出現(xiàn)，市場對于具有先進(jìn)功能的半導(dǎo)體的需求也日益增加，然而這些功能無法由芯片上的主系統(tǒng)（SoC）或電源管理集成電路（IC ）實(shí)現(xiàn)。東芝電子元件及存儲裝置株式會社已經(jīng)開發(fā)出了滿足這些技術(shù)趨勢的分立半導(dǎo)體產(chǎn)品，促進(jìn)了移動市場的發(fā)展。這里，我們將介紹LDO穩(wěn)壓器，它是電源IC 的一種。2. 增強(qiáng)了移動設(shè)備的高功能性首先，移動設(shè)備的系統(tǒng)發(fā)展趨勢如圖1所示。對于通信系統(tǒng)來說，Long Term Evolution（ LTE）通信系統(tǒng)LTE-Advanced （ 3CA）LTE-Ad

3、vanced （ 2CA）5G-Advance 正變得越來越廣泛，這使得高速通信的容量大大高于傳統(tǒng)的第三代（ 3G）通信。此外，將多個(gè)頻率組合到多路數(shù)據(jù)的超高速通信技術(shù)，比如載波聚合（ CA），以及將于 2020 年實(shí)現(xiàn)的 5G（第五代）通信商業(yè)化，這些都將進(jìn)一步加速這一趨勢。Wi-Fi ?IEEE 802.11acIEEE 802.11axWiGig （ IEEE 802.11ad）攝像機(jī)像素28M像素 3D攝像機(jī)32M像素 3D攝像機(jī)36M像素充電系統(tǒng)快充 3.0快充 4.0下一代Micro USBUSB Type-C存儲裝置 &存儲器 128G bytes 256G bytes

4、512G bytesLPDDR4 SDRAMLPDDR4X SDRAMLPDDR5 SDRAM除了 LTE之外，使用 2GHz以上頻率的高速數(shù)據(jù)通20162017201820192020信（以 Wi-Fi ? 為例）也是一種重要的通信方法。年份（圖 1）： 從功能發(fā)展角度出發(fā)的移動設(shè)備發(fā)展趨勢Copyright ? 2018 Toshiba Corporation, All Rights Reserved.TechnicalReviewVol.2基于國際電氣和電子工程師（IEEE） 802.11ac 標(biāo)準(zhǔn)，我們實(shí)現(xiàn)了使用5GHz頻帶的 6.9Gbit/s高速通信，到2019 年，我們將在下一個(gè)

5、IEEE802.11ax標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更高的10Gbit/s速度。除了通訊協(xié)議的進(jìn)步外，移動相機(jī)內(nèi)部的圖像傳感器也在不斷改進(jìn)，我們提高了像素計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)吞吐量。配備多個(gè)圖像傳感器的3D（立體）相機(jī)開發(fā)已經(jīng)從高端機(jī)種開始，隨后擴(kuò)展到中端機(jī)種，最后是低端機(jī)種。其它顯著的進(jìn)步還包括推出通用串行總線（USB） C型，它具有快速充電能力，可滿足不斷增長的電池容量需求。此外，用于存儲裝置的三維（堆疊）閃存和用于主存儲器的低功耗雙數(shù)據(jù)速率（LPDDR）同步DRAM（ SDRAM）增加了容量和數(shù)據(jù)傳輸速率。3. 移動電源設(shè)備的發(fā)展趨勢第二節(jié)中所述的所有功能改進(jìn)都是具有明顯效益的技術(shù)，但主要的挑戰(zhàn)在于如何處理移動

6、設(shè)備的限制。例如，移動設(shè)備需要在電池容量有限的情況下盡可能長時(shí)間地工作。作為緩解這一問題的方法，我們正在研究通過增加電流來增加電池容量和縮短充電時(shí)間。此外，還需要工作電壓較低（ 1V或更低）的系統(tǒng) IC 和電流容量更大的電源設(shè)備。隨著電壓的降低和電流的增加，電源設(shè)備必須具備圖2所示的特性。人們迫切需要高質(zhì)量、緊湊的電源設(shè)備。針對這些需求，我們實(shí)現(xiàn)了世界上最小的（ *1 ） LDO穩(wěn)壓器（ TCR15AG，輸出電流為 1.5A ， TCR13AG，輸出電流為 1.3A ， TCR3UG，電流消耗低至0.34 A）它們?nèi)烤哂袃?yōu)良的除噪性能和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)最大限度地減少了功耗。我們在設(shè)計(jì)這些L

7、DO穩(wěn)壓器時(shí)所強(qiáng)調(diào)的其它特性還包括：吸收電源線路和信號線路上積累的靜電，通過靜電放電（ESD）保護(hù)二極管加強(qiáng)保護(hù)，以及促進(jìn)移動設(shè)備的高功能。3.1電源線路除噪性能由于移動設(shè)備通常是隨身攜帶使用，為了有效地使用有限的電池電量，電池通常連接到作為DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行工作的開關(guān)電源。雖然這種開關(guān)電源可以有效地轉(zhuǎn)換電壓，但由于功率轉(zhuǎn)換是通過重復(fù)開關(guān)操作來完成的，所以會產(chǎn)生開關(guān)噪聲并在輸出電壓波形上疊加。電源噪聲將損害圖像傳感器、射頻（高頻）功率放大器、音頻放大器等的良好性能，因?yàn)樗鼤档蛨D像質(zhì)量和通信質(zhì)量。120使移動設(shè)備具有高功能性）高電流和低電壓Bd100（95電源線消噪比90制功率器件的要求高速

8、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)抑80波80高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)紋源7070電減小封裝尺寸和高度60ABCTCR13AGTCR15AG（圖 2）： 移動設(shè)備電源設(shè)備的特性要求1A類 LDO穩(wěn)壓器* 根據(jù)規(guī)格書的信息（*1 ）是針對輸出電流為1.5A 的LDO穩(wěn)壓 IC，基于東芝電子元件及存儲裝置株式會社在 2017年9月的調(diào)查。（圖 3）： 1A 類LDO穩(wěn)壓器的電源紋波抑制特性比較Copyright ? 2018 Toshiba Corporation, All Rights Reserved.TechnicalReviewVol.2因此，在開關(guān)電源和傳感器或放大器之間放置一個(gè)在線性區(qū)域工作的LDO穩(wěn)壓器，可消除這

9、種噪聲。通常，對于1kHz噪聲，輸出電流為1A或更高的LDO穩(wěn)壓器的除噪性能約為70dB。如果是我們的TCR15AG，我們通過改進(jìn)開環(huán)增益和布局路由，盡可能地阻止了從電源到電路內(nèi)部的噪聲路徑泄漏。因此實(shí)現(xiàn)了業(yè)內(nèi)最高的（*1 ）除噪能力95dB，這意味著與同類LDO穩(wěn)壓器相比，除噪能力提高了2倍（圖 3）。3.2 高速負(fù)荷瞬態(tài)響應(yīng)特性LDO穩(wěn)壓器的負(fù)載電流是由連接的傳感器或放大器所消耗的電流，它會產(chǎn)生很大的波動。例如，當(dāng)圖像傳感器從一個(gè)黑暗物體轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)明亮物體時(shí)，電流消耗迅速增加。此外，將幀速率設(shè)置為正常的30倍（舉例而言）可以實(shí)現(xiàn)最近智能手機(jī)上流行的慢動作錄像功能，但是其電流消耗將增加。隨著

10、像素?cái)?shù)的增加，最大電流也隨之增加。若要衡量當(dāng)負(fù)載電流突然變化時(shí)輸出的瞬態(tài)電壓波動有多大，以及恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的速度有多快，這就需要采用一個(gè)指標(biāo)即負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，該指標(biāo)需要不斷改進(jìn)。雖然這一特性在很大程度上取決于輸出晶體管的前期驅(qū)動能力，但通過獲得足夠的前期驅(qū)動能力，我們可以實(shí)現(xiàn)比一般 LDO穩(wěn)壓器更快的響應(yīng)并降低電壓波動一半以上（圖 4）。3.3 低電流消耗特性LDO穩(wěn)壓器本身的電流消耗通常是幾十A乃至幾百 A。在移動設(shè)備中，圖像傳感器（攝像機(jī)功能）和射頻功率放大器（用于無線功能，比如?）并不總是在工作，而且通常處于待機(jī)狀態(tài)。由于Wi-Fi和 Bluetooth在待機(jī)期間傳感器或放大器中沒有電流消耗，

11、LDO穩(wěn)壓器本身的電流消耗將影響到移動設(shè)備的長期運(yùn)行，即電池的“壽命”。一般來說，當(dāng)電流消耗降低時(shí)，電源線路的除噪性能和高速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)也降低，因此需要采取一個(gè)平衡方案。416200300275）Vm133（）圍A200范160應(yīng)10089（響69耗110消態(tài)流 10092瞬電載40負(fù)00ABTCR13AGTCR15AGABCTCR13AGTCR15AG1A類 LDO穩(wěn)壓器1A類 LDO穩(wěn)壓器* 根據(jù)東芝電子元件及存儲裝置株式會社的評估* 根據(jù)規(guī)格書的信息（圖 4）： 1A類LDO穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較（圖 5）： 1A類LDO穩(wěn)壓器的無負(fù)載電流消耗比較Copyright ? 2018 To

12、shiba Corporation, All Rights Reserved.TechnicalReviewVol.2我們公司實(shí)現(xiàn)了在有負(fù)載情況下的卓越除噪特性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)保證了足夠的驅(qū)動電流，并且能夠在無負(fù)載的情況下自動降低驅(qū)動電流以抑制電流消耗。因此實(shí)現(xiàn)了低電流消耗，約為同類LDO穩(wěn)壓器的 1/2 （圖 5）。3.4 實(shí)現(xiàn)高密度組裝的緊湊型和薄型封裝隨著電池容量的增加和移動設(shè)備本身的輕薄化，小型化和薄型封裝正在迅速發(fā)展，以便在有限的板空間內(nèi)完成電子元件的高密度組裝（圖6）。20世紀(jì) 90年代，用于移動設(shè)備的小型LDO穩(wěn)壓器主要采用尺寸為2.9 × 2.8 ×

13、 1.4 mm （寬×長×高）的封裝。自2010 年以來，尺寸為1.0 × 1.0 ×0.65 mm （寬×長×高）的無引線封裝已成為主流。為了滿足這種小型化的需求，我們正在研發(fā)一款尺寸為0.645 × 0.645 × 0.33 mm （寬×長×高）的 WCSP4F封裝，它是世界上同類產(chǎn)品中最小的封裝之一 （*1 ）。100SMV11.4mm3） 10UFV3.2mm33mm（DFN4 0.6mm3寸尺裝1sDFN4 0.26mm 3封WCSP4F 0.14mm3更小和更薄型0.119952000201020152020年份2017* SMV、 UFV、 DFN4、 sDFN4和 WCSP4F是封裝名稱。（圖 6）：移動設(shè)備用LDO穩(wěn)壓器封