Erfahren Sie über den Trend und die Auswirkungen von Niedrigspannungskomponenten für eine Reihe von mobilen und tragbaren Anwendungen. Erfahren Sie, wie Designer serielle Flash-Geräte mit niedrigen Spannungen und geringem Energieverbrauch zur Vereinfachung der Leistungsschaltung nutzen, und dabei den Energieverbrauch senken.
Die Liebesaffäre der Verbraucher mit mobilen und tragbaren Geräten geht ununterbrochen weiter. Die Größe und das Gewicht des Akkus in mobilen Produkten sind die schwierigsten und anspruchsvollsten Entwicklungseinschränkungen: Ein kleinerer Akku ermöglicht dem Designer das Endprodukt zu verkleinern oder den eingesparten Platz für zusätzliche wertvolle Eigenschaften zu nutzen. Gleichzeitig aber achten Nutzer genau auf Batterielaufzeiten und ziehen Produkte vor, die weniger oft geladen werden müssen.
Daher ist jedes Milliwatt, das beim Energiebudget eingespart wurde, wichtig für Produktdesigner. Die industrielle Nutzung von Spannungsschienen bei verschiedenen Normspannungen oberhalb von 1,8 V bietet keinen Vorteil, sondern stellt ein Problem dar: Denn viele Komponenten, insbesondere diejenigen, die digital betrieben werden, mit einigen Modifikationen zum Betrieb von einer Spannungsschiene unterhalb von 1,8 V fähig wären, was zu wertvollen Einsparungen im aktiven und im Stand-by-Modus führen würde.
Hersteller von Halbleitern geraten zunehmend unter Druck gegenüber der Anforderung seitens der Verbraucher, den Betrieb bei niedrigen Spannungen zu ermöglichen. Wie will also die Elektronikbranche die Schritte Richtung niedriger Spannungsnormen bewerkstelligen? Und wie sollten Systemdesigner sich vorbereiten, um von einer neuen Generation von Niedrigspannungskomponenten zu profitieren?
Klare Fahrtrichtung
Heute müssen Systemendesigner normalerweise mehrere Spannungsschienen integrieren, um Komponenten zu unterstützen, die mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen betrieben werden. Analoge Geräte wie Sensoren haben in der Regel eine 3‑V- oder – in industriellen Anwendungen – sogar eine 5‑V‑Versorgung. Veraltete digitale Komponenten könnten eine 3,3‑V-, 2,5‑V- oder 1,8‑V-Versorgung aufweisen. Anwendungsprozessoren der neusten Generation oder Systems-on-Chip, die auf modernsten, bis zu 28-nm-großen Prozessknoten basieren, können eine Kernbetriebsspannung von nur 1,0 V aufweisen und befinden sich damit am unteren Ende des Spannungsbereichs.
Allerdings ist Komplexität beim Design von Energieversorgungssystemen, wie in jedem anderen Bereich des Design-Engineering, grundsätzlich unerwünscht. Allgemein gilt die Regel: Je kleiner die Spannungsschienen, desto besser. Das heißt, dass sich die Branche eines Tages in Normspannungsbereichen unterhalb von 1,8 V ansiedeln wird. Wie groß werden diese Spannungen sein?
Abbildung 1 zeigt, wie DRAM-Technologien die Speicher-IC-Branche in Bereiche unterhalb von 1,8 V geführt haben. Das Standard-DDR2-DRAM wechselte als letztes zu einer 1,8-V-Versorgung. Nachfolgende DDR-DRAM-Generationen erreichten danach Betriebsspannungen von 1,5 V (DDR3), dann 1,37 V (DDR3L), bevor letztendlich das heutige Niveau mit 1,2 V (DDR4) erreicht wurde.
Abb.1: Betriebsspannungsbereiche von herkömmlichen Typen der Speichereinheiten. In gelb, DDR-DRAM; in grün, Winbond NOR-Flash (Quelle: Winbond)
Für DRAM existieren also drei intermediäre Spannungen unter 1,8 V. Abbildung 1 zeigt in grün die Versorgungsanforderungen nachfolgender NOR-Flash-ICs-Familien von Winbond mit Normspannungen im Bereich von 3 V, 2,5 V und 1,8 V. Derzeit bieten die aktuellsten NOR-Flash-Familien zwei Spannungsniveaus: eines mit 1,2 V und eines mit einem erweiterten Spannungsniveau von nominell 1,5 V.
Die W25QxxNE-Serie unterstützt bereits Versorgungsspannungen von 1,14 V bis 1,30 V. Die W25QxxND-Serie wird auch mit einem erweiterten 1,5‑V‑Spannungsniveau und einem Betriebsbereich zwischen 1,14 V und 1,58 V angeboten. Beide Produktserien werden mit Dichten im Bereich zwischen 1 MBit und 128 MBits angeboten.
Winbond bemüht sich seine Produktangebote in Einklang mit der gesamten Halbleiterbranche zu bringen, indem es das 1,2‑V- und das erweiterte 1,5‑V- Spannungsniveau mit der neuesten Generation von NOR-Flash-ICs unterstützt. Das 1,2‑V-Niveau ist für die Branche alles in allem sinnvoll: Der Abfall unter 1,8 V ist ausreichend, um wertvolle Einsparungen im Energieverbrauch zu erzielen. Winbond hat ein strategisch wichtiges Produkt für intermediäre Spannungen von 1,5 V und 1,35 V, die von der erweiterten Serie abgedeckt werden, im Angebot. Es passt sich der Energieversorgung und dem E/A-Spannungsniveau von DDR3- und DDR3L-DRAM-Produkten an. Der breitere Spannungsbereich kann bei vollständiger Entladung auch die weit verbreitete Entladeschlussspannung von 1,5‑V-Akkus nutzen.
Diese neuen Angebote von Winbond sind mit der allgemeinen Tendenz in der Halbleiterbranche in Richtung von Betriebsspannungen unterhalb von 1,8 V vereinbar, dabei unterstützen Verbraucher vor allem die 1,2‑V-Variante. Mehrere Technologieunternehmen und Halbleiterhersteller haben einen klaren Fahrplan für Spannungsversorgungs-Systeme, welche von Prozessoren und Speicherprodukten unterstützt werden. Sie sagen eine Abnahme der 3,3‑V-Spannungsschienen und eine zeitnahe Standardisierung im Bereich von 1,8 V voraus. Eine immer größer werdende Unterstützung der 1,5‑V-, 1,35‑V-und 1,2‑V-Spannungsbereiche, die nach 1,8 V angestrebt werden, und schließlich eine Standardisierung bei 1,2 V werden vorausgesagt, da die Erfüllung der Energiesparanforderungen an Mobilität für Technologieunternehmen und Halbleiterzulieferer wichtig ist.
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Winbond ist nach Wert und Volumen der weltgrößte Zulieferer von seriellen NOR- und NAND-Flashs, sodass es einigen Einfluss auf die Entwicklungsrichtung der Branchenstandards im Bereich von seriellem Flash hat. Winbond hat mit der Einführung der W25QxxNE- und W25QxxND-Serien die technische Umsetzbarkeit der Produktion von seriellen Hochleistungs-Flash-ICs, die mit Versorgungsspannungen von nur 1,2 V betrieben werden, demonstriert. Erstausrüster, die serielle Flashs verwenden, sollten die kommende umfangreiche Verfügbarkeit von seriellen 1,2‑V- und erweiterten 1,5‑V-NOR-Teilen mit Sicherheit in ihren Plänen berücksichtigen.
Deutliche aktive Energieeinsparungen
Die Energiemenge, die durch den Betrieb von seriellen NOR-Flash-ICs bei einer Spannung unterhalb von 1,8 V eingespart werden kann, hängt selbstverständlich von der jeweiligen Anwendung ab. Typische Bespiele von Endprodukttypen, die serielle Flashs mit extrem niedrigem Energieverbrauch nutzen könnten, sind Handheld-Kassensysteme, Smartwatches, E-Books und GPS-Navigationssysteme. Es wäre normal für jedes dieser Systeme von einem Energiebudget zwischen 0,5 % und 5 % für eine kurze Einschaltdauer in Abhängigkeit vom typischen Nutzerverhalten auszugehen. Das heißt, dass sowohl der Stand-by- als auch der aktive Energieverbrauch wesentlich zum durchschnittlichen Gesamtenergieverbrauch beitragen.
Abbildung 2 zeigt, dass der W25Q80NE, ein von einer 1,2‑V-Quelle betriebener 8‑MBit-NOR-Flash-IC, eine durchschnittliche Energieeinsparung von 33 % gegenüber einem äquivalenten 1,8-V-Teil aufweist.
Abb. 2: Aktive Energieeinsparung eines seriellen 1,2-V-NOR-Flashs mit 50-MHz-Taktzeit
Stand-by-Verbrauch wird als <0,5 µa im="" abschaltmodus="" angegeben.="" zum="" vergleich="" ist="" der="" strom="" beim="" 1,8-v-w25q80ew-modell="" von="" winbond="" im="" leistungsreduzierten="" modus="" doppelt="" so="" groß=""><>
Der reduzierte Energieverbrauch der W25QxxNE-Serie sowohl im aktiven als auch im Stand-by-Modus, ermöglicht es Systemdesignern, die Akkulaufzeiten zwischen einzelnen Aufladungen zu erhöhen oder die Größe und das Gewicht der Batterie zu reduzieren. Aber die neuen Geräte bieten noch zusätzliche Vorteile. Der Schaltkreis profitiert zunächst einmal von reduzierter Rausch-Kopplung in den Spuren, die den Speicher mit dem Host-SoC oder den Prozessoren verbinden, was ein unmittelbares Ergebnis der reduzierten Leistungsbelastung ist. Dies kann den Bedarf an Rauschminderungs- bzw. Abschirmungsmaßnahmen reduzieren und die Leistung rauschempfindlicher Schaltungselemente verbessern.
Der andere Hauptvorteil der 1,2-V-Geräte liegt in ihrem Potential den Schaltkreis mit der Zeit vereinfachen zu können (siehe Abbildung 3). Wenn SoC-, Anwendungsprozessoren- und Mikrocontrollerzulieferer die 1,2-V-Spannungsschiene als Standard einführen, wird der Bedarf an mehreren Spannungsschienen durch die Verwendung eines umfangreichen, komplexen Energiemanagement-ICs (PMIC) wegfallen, und dabei Systemdesignern ermöglichen, einfachere Komponenten wie den Low-Drop-Spannungsregler (LDO) zu verwenden, um das SoC mit einer einzelnen 1,2-V-Spannungsschiene zu betreiben. Das besitzt Potential für deutliche Kosten- und Platzeinsparungen.
Abb.3: Ersetzen eines 1,8-V-Flashs durch einem 1,2-V-Flash ermöglicht eine Vereinfachung des Stromkreises
Merkmale der 1,8-V-Geräte
Winbond passte die neue 1,2-V-Serie und die erweiterte 1,5-V-Serie an die derzeit gängigen 1,8-V-Geräte an. Die W25QxxNE-Teile sind den W25QxxEW in jeder Hinsicht gleichwertig, außer dass die Versorgungsspannung sowie der aktive und der Stand-by-Energieverbrauch deutlich geringer sind. Außerdem ist die maximale Betriebsfrequenz der 1,2-V-W25QxxNE-Serie der eines 1,8-W25QxxEw-Teils gleichwertig und beträgt 104 MHz. Die Betriebsfrequenz der W25QxxND-Teile beträgt 104 MHz bei 1,5‑V- und 1,35-V-Betriebsspannung. Allerdings ist die Frequenz etwas geringer bei 1,2 V, was mit dem erweiterten Betriebsspannungs-Bereich zusammenhängt.
Für typische mobile, tragbare Geräte sowie für das Internet der Dinge ist die 104 MHz Geschwindigkeit der W25QxxNE- und W25QxxND-Serie vollkommen ausreichend. Damit können duale und vierfache Serial Peripheral Interfaces (SPI) und Quad Peripheral Interfaces (QPI) betrieben werden und liefern bei dieser Frequenz eine maximale Datenübertragungsrate von 52 MB/s. Das Code-Shadowing an das DRAM und die Execute-In-Place-Funktionen (XIP) werden unterstützt.
Aufgrund des großen Produktangebots und der großen Auswahl der verfügbaren Ausführungen ist die Kompatibilität unter Winbond-Geräten erheblich. Die neuen 1,2-V- und die erweiterten 1,5-V-Teile sind in einem 2 x 3-mm-USON oder einem 150-mil-8-Pin-SOP verfügbar. Die in Winbonds 1,8-V-Flash-Geräten verwendete weit verbreitete WSON-6x5-Verpackung ist mit der SOP-Verpackung kompatibel.
Die 1,2-V- und 1,5-V-Flash-Teile unterstützen alle Funktionen und Verpackungstypen wie die 1,8 V seriellen Flash-Geräte mit nur minimalen Veränderungen der Systemsoftware. Damit erhalten Systemdesigner die Möglichkeit serielle Flash-Geräte mit geringem Energieverbrauch und Betriebsspannung zu entwickeln, um die Leistungsschaltung zu vereinfachen, was die Energieeffizienz weiter steigert. Die 1,2‑V-W25QxxNE- und die erweiterten 1,5-V-W25QxxND-Teile sind auch in Wafer- und Die-Form als umfassend getestete Known Good Die (KGD) verfügbar.
Dynamische Entwicklung der 1,2-V- und erweiterten 1,5-V-Spannungsschienen
Mit seinen 1,2‑V- und erweiterten 1,5‑V-Geräten hat Winbond die Vorreiterrolle im Bereich energiesparender Flash-Entwicklung übernommen. Winbond geht davon aus, dass der Trend hin zu energiesparenden Flash-Teilen weiter anhält, denn die Hersteller von akkubetriebenen Geräten werden auch zukünftig versuchen den Energieverbrauch zu senken. Das 1,2-V-8-MBit-W25Q80NE ist bereits heute zum Testen verfügbar. Das erweiterte 1,5-V-8-MBit-W25Q80ND-Teil wird demnächst folgen. Die Entwicklung von weiteren Teilen mit zusätzlicher Dichte läuft bereits
Neue Chipunternehmen wie Espressif, das sich auf den Niedrigenergiebereich spezialisiert hat, suchen dringend nach 1,2-V-Produkten. „Die energiesparenden Flash-Produkte von Winbond sind perfekt für IoT-Anwendungen und Smart-Geräte geeignet," sagte Teo Swee Ann, der CEO von Espressif Systems. „Das serielle 1,2-V-Flash ist eine Weiterentwicklung, die ihr energiesparendes Potenzial bereits bei unserem ESP32-WiFi-Bluetooth-Chip gezeigt hat; Es wurde erfolgreich getestet und wir gehen von einer schnellen Markteinführung für diese Modulform aus."
Der Flash-Markt ist daher bereit für eine Standardisierung auf 1,2-V- und erweiterte 1,5-V-Teile als nächsten Schritt nach dem 1,8-V-Knoten. Systemdesigner können von einer 1,2-V-Versorgungsspannung in naher Zukunft ausgehen.