功率管理技術(shù)介紹

隨著由電池供電的便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品的增長，IC芯片的功耗已成為了一個(gè)世界性的問題，設(shè)計(jì)者必須通過配置合適的功率管理系統(tǒng)采用各種辦法來節(jié)省能量。便攜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)卻要求工程師開發(fā)更有效的節(jié)能系統(tǒng)。隨著消費(fèi)類產(chǎn)品越來越復(fù)雜，功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜。

　　對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言，更長的電池使用壽命、更長的通話時(shí)間或更長的工作時(shí)間都是明顯的優(yōu)勢(shì)，降低電源要求意味著使用體積更小的電池或選擇不同的電池技術(shù)，這在一定程度上也緩解了電池發(fā)熱問題；對(duì)于有線系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)師可通過減小電源體積、減少冷卻需求以及降低風(fēng)扇噪聲來提高電池效率。有效的功率管理涉及到恰當(dāng)技術(shù)的選擇、優(yōu)化的庫和知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的使用，以及設(shè)計(jì)方法（圖1）。

　　圖1，有效的功率管理需要選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、庫和IP設(shè)計(jì)方案以及芯片設(shè)計(jì)方法。

　　功耗在電子設(shè)備中正變得更加重要。功率的損耗。電路中通常指元、器件上耗 散的熱能。有時(shí)也指整機(jī)或設(shè)備所需的電源功率。 功耗同樣是所有的電器設(shè)備都有的一個(gè)指標(biāo)，指的是在單位時(shí)間中所消耗的能源的數(shù)量，單位為W。不過復(fù)印機(jī)和電燈不同，是不會(huì)始終在工作的，在不工作時(shí)則處于待機(jī)狀態(tài)，同樣也會(huì)消耗一定的能量（除非切斷電源才會(huì)不消耗能量）。

　　MOS晶體管的基本工作

　　為了解功率，讓我們從經(jīng)典的MOS晶體管漏極電流方程開始，MOS晶體管是一種新型MOS與雙極復(fù)合型器件。它采用集成電路工藝，在普通晶閘管結(jié)構(gòu)中制作大量MOS器件，通過MOS器件的通斷來控制晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷。雖然這些方程只對(duì)較老的技術(shù)準(zhǔn)確，并且未考慮現(xiàn)代技術(shù)中的亞微米幾何結(jié)構(gòu)引入的各種影響，但它們使人們能了解晶體管的總體行為。

　　圖2，某NMOS FET表明了施加在其端子的電壓。

　　在數(shù)字電路中，當(dāng)晶體管處于接通狀態(tài)時(shí)，它位于飽和區(qū)，此時(shí)漏極至源極電流IDS服從以下方程（圖2）：

　　（1）

　　其中TOX是柵極氧化物厚度，W是晶體管的溝道寬度，L是晶體管的溝道長度，VGS是晶體管的柵極與源極之間的電壓，VTH是閾值電壓，K取決于工藝技術(shù)。閾值電壓服從以下方程：

　　（2）

　　其中VSB是源極與基底之間的反向偏壓，VFB是平帶電壓（它取決于工藝技術(shù)），γ和ΘS也是取決于工藝技術(shù)的參數(shù)。

　　如果漏極至漏極電壓等于電源電壓，即柵極與源極之間的最大電壓，那么你就能運(yùn)用以下方程來計(jì)算接通電流：

　　（3）

　　然后可以把有功功率表示為：

　　（4）

　　泄漏功率

　　MOS晶體管中的主要泄漏部分是結(jié)泄漏、柵極泄漏、柵極感應(yīng)漏極泄漏、亞閾值導(dǎo)電。當(dāng)漏極和基底之間或是源極和基底之間的PN結(jié)在晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)下變成負(fù)偏壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)泄漏，此時(shí)由于存在反向偏壓二極管而出現(xiàn)泄漏電流。

　　當(dāng)柵極至漏極重疊區(qū)中的高電場導(dǎo)致帶至帶隧穿，并導(dǎo)致柵極感應(yīng)漏極泄漏電流時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)柵極感應(yīng)漏極泄漏。當(dāng)晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)亞閾值導(dǎo)電；它并非真地處于關(guān)斷狀態(tài)，但由于微弱的反相而導(dǎo)電。亞閾值導(dǎo)電是導(dǎo)致泄漏電流的主要因素。你可把該電流表示為：

　　（5）