ROHM entwickelt ultraschnelle Pulssteuertechnologie

In Europa haben die 2020 eingeführten CO₂-Emissionsvorschriften die Entwicklung von Mild-Hybrid-Fahrzeugen vorangetrieben. Die europäischen Automobilhersteller, allen voran Deutschland, setzen zunehmend auf 48-Volt-Batteriesysteme, die eine höhere Übertragungseffizienz als herkömmliche HEV-Systeme mit 12-Volt-Stromversorgung aufweisen und die Größe von Motor und Batterien reduzieren können, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.

Darüber hinaus entspricht 48-V-Gleichstrom der Norm ISO 21780 der Internationalen Organisation für Normung. Dies ist vorteilhaft bei der Installation in Fahrzeugen und beim Bau von Stromversorgungssystemen.

Hier ergibt sich jedoch eine Herausforderung: Steuergeräte, die in verschiedenen Teilen eines Fahrzeugs installiert sind, benötigen Ansteuerspannungen von nur 3,3 V oder sogar 2,5 V. Konventionelle DC/DC-Wandler, die bei einem 2-MHz-Betrieb, der das AM-Radio-Band nicht beeinträchtigt, eine niedrige Spannung von 3,3 V aus einem Eingang von 48 V (das Standardmaximum liegt bei 60 V) ausgeben, fallen einmal auf eine Zwischenspannung von 12 V und dann wieder auf 3,3 V ab.

Mit anderen Worten, es ist eine zweistufige (Zwei-Chip-) Absenkung auf 3,3 V erforderlich, was im Vergleich zu einem HEV-System mit einer 12-V-Stromversorgung eine zusätzliche LSI erfordert.

Die Aufgabe eines Stromversorgungs-ICs besteht darin, die zugeführte Spannung in eine Spannung umzuwandeln, bei der elektronische Schaltungen und Halbleiterbauelemente ordnungsgemäß funktionieren, um eine stabile Versorgung zu gewährleisten. Die Zahl der dafür erforderlichen Bauteile sollte jedoch nicht zunehmen. Daher wird ein Spannungswandler mit einer großen Abwärtsbreite benötigt, der eine 48-V-Batterie direkt auf eine Spannung von 3,3 V oder weniger absenken kann.

Wichtig hierbei ist die Impulsbreite: Je schmaler sie ist, desto kleiner ist die Einschaltdauer und desto schneller kann eine Abwärtsregelung erreicht werden. Umgekehrt gilt: Je größer die Impulsbreite, desto länger ist die Einschaltzeit. Ganz gleich wie schmal die Impulsbreite ist – wenn die Wellenform aufgrund von Rauschen nicht stabil ist, kann sie nicht verwendet werden. In der Praxis ist es deshalb äußerst schwierig, einen Stromversorgungs-IC zu entwickeln, der 48 V unmittelbar auf 3,3 V absenken kann. Die Lösung besteht darin, zwei LSIs zu verwenden. Auf diese Weise kann man die Impulsbreite und die Einschaltdauer reduzieren. Die Leistung des Stromversorgungs-ICs ist ein Ringen um die Impulsbreite

Dem japanischen Halbleiterhersteller ROHM ist es jedoch gelungen, eine Technologie zu entwickeln, die die große Hürde der Stromversorgungs-ICs überspringt. „Nano Pulse Control™“, die ultraschnelle Pulssteuerungstechnologie des Unternehmens, erreicht die weltweit kleinste Pulsdauer von 9ns in einem Stromversorgungs-IC und ermöglicht den Single-Chip-Betrieb bei hohen Eingangsspannungen wie 48V, niedrigen Ausgangsspannungen wie 12V und 0,5V und hohen Betriebsfrequenzen wie 4MHz. Das neue System ermöglicht auch ein Single-Chip-Design. Darüber hinaus ermöglicht die Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitssteuerung sogar die Miniaturisierung von externen Komponenten wie Spulen.

Natürlich kann das 48-V-System nicht nur in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sondern auch in Industrieanlagen, Robotern, Gabelstaplern und allen anderen Anwendungen, in denen 48-V-Systeme verwendet werden.

Das Unternehmen hat seine „Nano Pulse Control™" weiterentwickelt und damit begonnen, sie auf Steuer-ICs für GaN-Bauelemente anzuwenden.

GaN-Bauelemente haben sich aufgrund ihrer Überlegenheit beim Hochgeschwindigkeitsschalten in verschiedenen Bereichen durchgesetzt. Allerdings gab es keine Steuer-ICs für Hochgeschwindigkeitsantriebe, die mit der Überlegenheit von GaN-Bauelementen mithalten konnten. ROHM hat seine „Nano Pulse Control™"-Technologie weiter perfektioniert und konnte die Steuerimpulsbreite auf 2ns verbessern. Es wird erwartet, dass durch die Integration dieser Technologie in Steuer-ICs die Leistung von GaN-Bauelementen maximiert werden kann.

ROHM hat die EcoGaN™-Serie von GaN-Bauelementen entwickelt, die zur Energieeinsparung und Miniaturisierung beitragen, indem sie den niedrigen On-Widerstand und die Hochgeschwindigkeits-Schaltleistung von GaN maximieren. Gleichzeitig reduzieren sie den Stromverbrauch von Anwendungen, die Größe von Peripheriekomponenten und die Anzahl von Entwicklungsstunden und Komponenten Durch die Kombination von EcoGaN™ mit Nano Pulse Control™ reduziert ROHM die Montagefläche von Leistungsschaltungen um 86 % , was zu einer enormen Miniaturisierung führt.

Das Unternehmen vermarktet derzeit einen 1-Kanal-DC-DC-Controller-IC mit 100-V-Eingang, der diese Technologie nutzt. Wenn sich diese Technologie durchsetzt, wird sie den Energieverbrauch und die Größe in einer Vielzahl von Anwendungen wie Basisstationen, Rechenzentren, Fabrikautomatisierungsanlagen und Drohnen erheblich reduzieren. Die GaN-Ära steht kurz vor dem Durchbruch.

Neben „Nano Pulse Control™" umfasst die Nano-Serie von ROHM auch „Nano Energy™", eine Technologie mit extrem niedrigem Stromverbrauch, die den weltweit niedrigsten Stromverbrauch der Klasse von 180nA und einen maximalen Wirkungsgrad von 90 Prozent bei 10uA Laststrom erreicht. Nano Cap™" ist eine stabile Steuerungstechnologie, die einen ultrastabilen Betrieb innerhalb von ±5 Prozent der Spannungsschwankungen erreicht, obwohl der Ausgangskondensator auf ein Zehntel der Kondensatorkapazität reduziert ist. Diese drei proprietären Technologien werden in verschiedenen analogen ICs wie Treiber-ICs, Power-Management-ICs, Operationsverstärkern und Komparatoren eingesetzt.

Die Impulsbreite der Stromversorgungs-LSIs von ROHM betrug vor der Entwicklung von „Nano Pulse Control™" 120 ns, die kleinste in der Branche. Die kontinuierlichen Anstrengungen des Unternehmens zur Verbesserung seiner Leistung haben es an die Spitze in diesem Bereich katapultiert.

Der Markt verlangt nach immer fortschrittlicheren Technologien, wie beispielsweise Energieeinsparung, Miniaturisierung, Sicherheitsleistung, hoher Stromverbrauch und hohe Funktionalität. Selbst Technologien, die heute als an ihren Grenzen angelangt gelten, können diese Grenzen möglicherweise überschreiten.