功率管理系统的设计

    随着由电池供电的便携式消费类产品的增长，IC芯片的功耗已成为了一个世界性的问题，设计者必须通过配置合适的功率管理系统采用各种办法来节省能量。便携产品的设计却要求工程师开发更有效的节能系统。随着消费类产品越来越复杂，功率管理系统的设计也越来越复杂。

    　　对于移动设备而言，更长的电池使用寿命、更长的通话时间或更长的工作时间都是明显的优势，降低电源要求意味着使用体积更小的电池或选择不同的电池技术，这在一定程度上也缓解了电池发热问题；对于有线系统而言，设计师可通过减小电源体积、减少冷却需求以及降低风扇噪声来提高电池效率。有效的功率管理涉及到恰当技术的选择、优化的库和知识产权（IP）的使用，以及设计方法（图1）。

 

　　图1，有效的功率管理需要选择恰当的技术、库和IP设计方案以及芯片设计方法。

　　功耗在电子设备中正变得更加重要。功率的损耗。电路中通常指元、器件上耗 散的热能。有时也指整机或设备所需的电源功率。 功耗同样是所有的电器设备都有的一个指标，指的是在单位时间中所消耗的能源的数量，单位为W。不过复印机和电灯不同，是不会始终在工作的，在不工作时则处于待机状态，同样也会消耗一定的能量（除非切断电源才会不消耗能量）。

　　MOS晶体管的基本工作

　　为了解功率，让我们从经典的MOS晶体管漏极电流方程开始，MOS晶体管是一种新型MOS与双极复合型器件。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件，通过MOS器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。虽然这些方程只对较老的技术准确，并且未考虑现代技术中的亚微米几何结构引入的各种影响，但它们使人们能了解晶体管的总体行为。

 

　　图2，某NMOS FET表明了施加在其端子的电压。

    　　在数字电路中，当晶体管处于接通状态时，它位于饱和区，此时漏极至源极电流IDS服从以下方程（图2）：

　　（1）

    　　其中TOX是栅极氧化物厚度，W是晶体管的沟道宽度，L是晶体管的沟道长度，VGS是晶体管的栅极与源极之间的电压，VTH是阈值电压，K取决于工艺技术。阈值电压服从以下方程：

　　（2）

    　　其中VSB是源极与基底之间的反向偏压，VFB是平带电压（它取决于工艺技术），γ和ΘS也是取决于工艺技术的参数。

    　　如果漏极至漏极电压等于电源电压，即栅极与源极之间的最大电压，那么你就能运用以下方程来计算接通电流：

　　（3）

    　　然后可以把有功功率表示为：

　　（4）

    　　泄漏功率

    　　MOS晶体管中的主要泄漏部分是结泄漏、栅极泄漏、栅极感应漏极泄漏、亚阈值导电。当漏极和基底之间或是源极和基底之间的PN结在晶体管处于关断状态下变成负偏压时，会出现结泄漏，此时由于存在反向偏压二极管而出现泄漏电流。

    　　当栅极至漏极重叠区中的高电场导致带至带隧穿，并导致栅极感应漏极泄漏电流时，就会出现栅极感应漏极泄漏。当晶体管处于关断状态时，会出现亚阈值导电；它并非真地处于关断状态，但由于微弱的反相而导电。亚阈值导电是导致泄漏电流的主要因素。你可把该电流表示为：

　　（5）

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其中K1、γ、η、N取决于工艺，VT是热电压，K1是栅极氧化物厚度的函数。你可以把栅极至源极电压设为0V，并把漏极至源极电压设为等于电源电压VDD，由此获得晶体管中的关断电流或泄漏电流。在这些条件下，由于电源电压远大于热电压，因此你可以把下列项

　　（6）

    　　近似为1，得出

　　（7）

    　　现在可把泄漏功率写成

　　（8）

根据这个结果，你可以看到控制功率的主要参数是阈值电压、氧化物厚度、晶体管长度与宽度、电源电压、反向栅极偏压。由于有功功率随电源电压的平方而变化，因此降低电源电压对降低有功功率具有最大的影响。功率降低速度是电压降低速度的两倍，即电源电压降低20%会导致有功功率降低40%。其余参数只是以线性方式影响有功功率。晶体管长度、宽度或阈值电压的任何明显变化都对晶体管的性能具有不利影响。因此它们在降低有功功率方面仅起着很小的作用。从方程5可看到

　　（9）

    　　如果ΔVGS = -NVT，则方程变为

　　（10）

    　　意味着有效栅极至源极电压每降低NVT，N对于某种技术一般是1～2.5，并且阈值电压在室温时等于26 mV，因此栅极至源极电压每变化50 mV～75 mV，你都会看到亚阈值电流降低至2.7分之一。提高阈值电压具有相同效果。因此，阈值电压每提高50 mV～75 mV，泄漏电流都会降低至2.7分之一。阈值电压提高100 mV～150 mV，会使泄漏电流降低至7.4分之一。

    　　你可以通过提高反向栅极偏压来进一步降低泄漏电流。由于存在体偏压系数γ，收效会不太明显。降低电源电压也有助于降低泄漏电流。增加晶体管的沟道长度不仅直接降低泄漏电流（如方程5所示），而且还有助于提高阈值电压（如方程2所示）。

    　　亚阈值电流以指数形式依赖于温度。由于NVT项出现在负指数的分母中，因此在温度升高时，电流会显着增加。这种增加会带来重大挑战，这是因为泄漏功率在高温时变成了总功率的重要部分。

    　　技术的作用

    　　每一次技术进步的目标都是为了改善性能、密度和功耗。工艺设计者调整施加的电压和氧化物厚度来保持相同电场。该途径在每个新的技术节点都会使功率降低大约50%。但是，随着电压的降低，阈值电压也必须降低，来实现该技术的性能目标。

    　　由于无法立即同时在性能和泄漏方面优化某种技术，因此每种技术通常会有两个变种。一个变种针对高性能，另一个针对低泄漏。二者的首要区别是氧化物厚度、电源电压和阈值电压。栅极氧化物较厚的技术变种面向低泄漏设计，并且必须支持更高的电压来实现合理性能。

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