功率管理優(yōu)化功率的實(shí)現

隨著(zhù)由電池供電的便攜式消費類(lèi)產(chǎn)品的增長(cháng)，IC芯片的功耗已成為了一個(gè)世界性的問(wèn)題，設計者必須通過(guò)配置合適的功率管理系統采用各種辦法來(lái)節省能量。便攜產(chǎn)品的設計卻要求工程師開(kāi)發(fā)更有效的節能系統。隨著(zhù)消費類(lèi)產(chǎn)品越來(lái)越復雜，功率管理系統的設計也越來(lái)越復雜。

　　對于移動(dòng)設備而言，更長(cháng)的電池使用壽命、更長(cháng)的通話(huà)時(shí)間或更長(cháng)的工作時(shí)間都是明顯的優(yōu)勢，降低電源要求意味著(zhù)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(wèn)題；對于有線(xiàn)系統而言，設計師可通過(guò)減小電源體積、減少冷卻需求以及降低風(fēng)扇噪聲來(lái)提高電池效率。有效的功率管理涉及到恰當技術(shù)的選擇、優(yōu)化的庫和知識產(chǎn)權（IP）的使用，以及設計方法（圖1）。

　　圖1，有效的功率管理需要選擇恰當的技術(shù)、庫和IP設計方案以及芯片設計方法。

　　功耗在電子設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)也指整機或設備所需的電源功率。 功耗同樣是所有的電器設備都有的一個(gè)指標，指的是在單位時(shí)間中所消耗的能源的數量，單位為W。不過(guò)復印機和電燈不同，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(kāi)始，MOS晶體管是一種新型MOS與雙極復合型器件。它采用集成電路工藝，在普通晶閘管結構中制作大量MOS器件，通過(guò)MOS器件的通斷來(lái)控制晶閘管的導通與關(guān)斷。雖然這些方程只對較老的技術(shù)準確，并且未考慮現代技術(shù)中的亞微米幾何結構引入的各種影響，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。

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

　?。?）

　　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(cháng)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：

　?。?）

　　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。

　　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，那么你就能運用以下方程來(lái)計算接通電流：

　?。?）

　　然后可以把有功功率表示為：

　?。?）

　　泄漏功率

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

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

　?。?）