LDO穩(wěn)壓IC增強了移動設備的高功能性

1、Technical ReviewVol.2LDO穩(wěn)壓 IC 增強了移動設備的高功能性隨著近年來手機市場的不斷擴大，2017 財年全球手機產品年出貨量將超過18億部。由于智能手機具備傳統(tǒng)功能手機無法實現的先進功能，所以現已成為日常生活中不可缺少的一部分。為增強以智能手機為代表的移動設備的功能，東芝電子元件及存儲裝置株式會社正在推動分立半導體產品的開發(fā)，包括低壓降（LDO）穩(wěn)壓器集成電路（IC ），其特點是具有卓越的電源紋波抑制特性和負載瞬態(tài)響應以及低功耗特性。1. 前言隨著移動電話市場的增長，2017 財政年度的手機產品出貨量將超過18億部。智能手機作為當今移動設備的典型代表，已經成為人們日常生

2、活中不可或缺的常用工具，其驅動力在于功能的飛速發(fā)展，而這是傳統(tǒng)功能手機所無法實現的。隨著高功能、高附加值移動設備在世界范圍內的出現，市場對于具有先進功能的半導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 ）實現。東芝電子元件及存儲裝置株式會社已經開發(fā)出了滿足這些技術趨勢的分立半導體產品，促進了移動市場的發(fā)展。這里，我們將介紹LDO穩(wěn)壓器，它是電源IC 的一種。2. 增強了移動設備的高功能性首先，移動設備的系統(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，將多個頻率組合到多路數據的超高速通信技術，比如載波聚合（ CA），以及將于 2020 年實現的 5G（第五代）通信商業(yè)化，這些都將進一步加速這一趨勢。Wi-Fi ?IEEE 802.11acIEEE 802.11axWiGig （ IEEE 802.11ad）攝像機像素28M像素 3D攝像機32M像素 3D攝像機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以上頻率的高速數據通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 標準，我們實現了使用5GHz頻帶的 6.9Gbit/s高速通信，到2019 年，我們將在下一個

5、IEEE802.11ax標準基礎上實現更高的10Gbit/s速度。除了通訊協(xié)議的進步外，移動相機內部的圖像傳感器也在不斷改進，我們提高了像素計數和數據吞吐量。配備多個圖像傳感器的3D（立體）相機開發(fā)已經從高端機種開始，隨后擴展到中端機種，最后是低端機種。其它顯著的進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據速率（LPDDR）同步DRAM（ SDRAM）增加了容量和數據傳輸速率。3. 移動電源設備的發(fā)展趨勢第二節(jié)中所述的所有功能改進都是具有明顯效益的技術，但主要的挑戰(zhàn)在于如何處理移動

6、設備的限制。例如，移動設備需要在電池容量有限的情況下盡可能長時間地工作。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備。隨著電壓的降低和電流的增加，電源設備必須具備圖2所示的特性。人們迫切需要高質量、緊湊的電源設備。針對這些需求，我們實現了世界上最小的（ *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）它們全部具有優(yōu)良的除噪性能和負載瞬態(tài)響應，同時最大限度地減少了功耗。我們在設計這些L

7、DO穩(wěn)壓器時所強調的其它特性還包括：吸收電源線路和信號線路上積累的靜電，通過靜電放電（ESD）保護二極管加強保護，以及促進移動設備的高功能。3.1電源線路除噪性能由于移動設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轉換器進行工作的開關電源。雖然這種開關電源可以有效地轉換電壓，但由于功率轉換是通過重復開關操作來完成的，所以會產生開關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，因為它會降低圖像質量和通信質量。120使移動設備具有高功能性）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、負載瞬態(tài)響應抑80波80高速負載瞬態(tài)響應紋源7070電減小封裝尺寸和高度60ABCTCR13AGTCR15AG（圖 2）： 移動設備電源設備的特性要求1A類 LDO穩(wěn)壓器* 根據規(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，在開關電源和傳感器或放大器之間放置一個在線性區(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，我們通過改進開環(huán)增益和布局路由，盡可能地阻止了從電源到電路內部的噪聲路徑泄漏。因此實現了業(yè)內最高的（*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 高速負荷瞬態(tài)響應特性LDO穩(wěn)壓器的負載電流是由連接的傳感器或放大器所消耗的電流，它會產生很大的波動。例如，當圖像傳感器從一個黑暗物體轉變?yōu)橐粋€明亮物體時，電流消耗迅速增加。此外，將幀速率設置為正常的30倍（舉例而言）可以實現最近智能手機上流行的慢動作錄像功能，但是其電流消耗將增加。隨著

10、像素數的增加，最大電流也隨之增加。若要衡量當負載電流突然變化時輸出的瞬態(tài)電壓波動有多大，以及恢復到穩(wěn)態(tài)的速度有多快，這就需要采用一個指標即負載瞬態(tài)響應，該指標需要不斷改進。雖然這一特性在很大程度上取決于輸出晶體管的前期驅動能力，但通過獲得足夠的前期驅動能力，我們可以實現比一般 LDO穩(wěn)壓器更快的響應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。在移動設備中，圖像傳感器（攝像機功能）和射頻功率放大器（用于無線功能，比如?）并不總是在工作，而且通常處于待機狀態(tài)。由于Wi-Fi和 Bluetooth在待機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備的長期運行，即電池的“壽命”。一般來說，當電流消耗降低時，電源線路的除噪性能和高速負載瞬態(tài)響應也降低，因此需要采取一個平衡方案。416200300275）Vm133（）圍A200范160應10089（響69耗110消態(tài)流 10092瞬電載40負00ABTCR13AGTCR15AGABCTCR13AGTCR15AG1A類 LDO穩(wěn)壓器1A類 LDO穩(wěn)壓器* 根據東芝電子元件及存儲裝置株式會社的評估* 根據規(guī)格書的信息（圖 4）： 1A類LDO穩(wěn)壓器的負載瞬態(tài)響應比較（圖 5）： 1A類LDO穩(wěn)壓器的無負載電流消耗比較Copyright ? 2018 To

12、shiba Corporation, All Rights Reserved.TechnicalReviewVol.2我們公司實現了在有負載情況下的卓越除噪特性和負載瞬態(tài)響應特性，同時保證了足夠的驅動電流，并且能夠在無負載的情況下自動降低驅動電流以抑制電流消耗。因此實現了低電流消耗，約為同類LDO穩(wěn)壓器的 1/2 （圖 5）。3.4 實現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完成電子元件的高密度組裝（圖6）。20世紀 90年代，用于移動設備的小型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）：移動設備用LDO穩(wěn)壓器封