Najnowsze wyzwania dla układów analogowych

Efektywna kontrola, magazynowanie i rozprowadzanie energii, to najczęstsze wyzwania jakie stoją przed współczesnymi układami analogowymi. Przechowywanie informacji oraz zarządzanie nimi jest dziś skutecznie realizowane za pomocą technik cyfrowych, jednak konwersja i magazynowanie energii to fundamentalne zadania systemów analogowych. Dlatego też technologie kluczowe dla zarządzania energią są przeważnie analogowe. Potwierdzeniem tego może być ogromne zainteresowanie ładowaniem bezprzewodowym w rozmaitych aplikacjach, poczynając od telefonów komórkowych, a kończąc na implantach medycznych. Rosnąca wydajność tej transmisji umożliwia efektywniejsze dostawy energii na coraz większych odległościach . W szybkim tempie rozwijają się technologie, które pozwalają na magazynowanie energii z otoczenia [energy harvesting] poprzez przetworniki fotowoltaiczne, piezoelektryczne czy też termoelektryczne, z ukierunkowaniem na użycie kilku technologii magazynowania równocześnie. Na szczególną uwagę zasługują układy analogowe, które są w stanie zbierać moc na poziomie submikrowatów, z wielorakich źródeł energii o dziesiątkach miliwoltów, ze względu na to, że są one szansą na niezależność zdalnych czujników, a także mogą stać się suplementem konwencjonalnego zasilania bateryjnego w urządzeniach mobilnych. Aby to osiągnąć, układy analogowe muszą zużywać ekstremalnie mało energii, aby pozostała energia mogła zasilać baterie albo superkondensatory. Podobnie, pobór mocy analogowych wzmacniaczy pomiarowych , oscylatorów czy wzmacniaczy audio , jest pomniejszany, aby spełnić wymagania wyżej wymienionych systemów niskiej mocy. Szybkie uruchamianie i wyłączanie jest także pożądane w tych układach, w celu zapewnienia wysokiej energooszczędności podczas pracy przerywanej. Wszystkie te technologie razem, doprowadzą do tego, że urządzenia będą zasilane przez nieograniczony czas z odnawialnych źródeł, otwierając drzwi zastosowaniom takim jak internet rzeczy (IoT), wszechobecne użycie sensorów, monitoring czy nowe rozwiązania medyczne. Układy analogowe spełniają także role mostów, łączących świat cyfrowy z realnym, analogowym światem. Tak jak prawdziwe mosty, są one również swojego rodzaju „wąskim gardłem”; od sposobu ich zaprojektowania krytycznie zależy ogólna wydajność, sprawność i stabilność układu. Niemniej jednak, odkąd układy cyfrowe, takie jak mikroprocesory, podbiły rynek, technologie półprzewodnikowe są nieustannie optymalizowane, przez ponad 40 lat redukując rozmiar, koszt oraz pobór mocy urządzeń cyfrowych. Układy analogowe wykazały wzrastające trudności w ich implementacji z użyciem nowoczesnych technologii IC (Integrated Cirquits). Na przykład: w miarę zmniejszania się rozmiarów tranzystorów, maleje również zakres analogowych wartości napięć, które mogą one obsługiwać, a także ich analogowa wydajność, natomiast obserwowana różnorodność analogowych parametrów wzrasta. Biorąc pod uwagę powyższe aspekty technologii półprzewodnikowej, można wytłumaczyć dwa kluczowe rozbieżne trendy w produkcji układów analogowych. Pierwszym jest tendencja do podążania za najnowszymi technologiami wytwarzania cyfrowych IC, zamiast produkcji opartej o starsze, analogowe technologie. Trend ten może stawać się coraz szerszym zjawiskiem, ze względu na dostosowywanie do wysokich napięć, wymaganych na rosnącym rynku aplikacji medycznych, motoryzacyjnych, przemysłowych i służących oświetleniu energooszczędnemu. Inne zastosowania dyktują pełną, jednoczesną integrację układów analogowych i cyfrowych, w najnowocześniejszych półprzewodnikowych, cyfrowych procesach, takich jak technologie FinFET oraz FDSOI. Przykładem mogą być procesory z wieloma rdzeniami, które są w stanie zredukować swój ogólny pobór mocy poprzez dynamiczne skalowanie napięcia operacyjnego i częstotliwości, w odpowiedzi na zależne od czasu zapotrzebowanie obliczeniowe. Z tego powodu przetworniki napięcia DC-DC mogą być wbudowane obok zespołów obwodów cyfrowych, będąc lokalnym źródłem zasilania ze zwiększoną sprawnością, mniejszą powierzchnią układów scalonych oraz zwiększoną mocą wyjściową i to bez dodatkowych zewnętrznych komponentów. Te tendencje zostały uchwycone poprzez przemieszczenie w kierunku prawego górnego rogu na wykresie przedstawionym niżej, ukazującym także równoczesny wzrost poziomu mocy wyjściowej. Rysunek 1: Porównanie zintegrowanych konwerterów mocy z przełączanym kondensatorem na podstawie dokumentacji ISSCC, ukazujące wydajność szczytową w zależności od gęstości mocy i mocy wyjściowej. Obecny postęp pozwala na osiąganie znacznie wyższej mocy wyjściowej i jej gęstości, bez równoczesnej utraty sprawności (co zostało ukazane w prawym górnym rogu). Autor: Axel Thomsen, Silicon Laboratories, Austin, TX Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości © ISSCC. Korekta Konrad Bruliński z firmy Lemontech