電源管理帶來(lái)挑戰(zhàn)
隨著蜂窩電話變得越來(lái)越先進(jìn),系統(tǒng)工作時(shí)的功耗以及待機(jī)時(shí)的功耗也隨之增加。因此,便攜式無(wú)線設(shè)備的電源管理設(shè)計(jì)在 I/O 接口、能量管理以及電池使用壽命方面都面臨著新的挑戰(zhàn)。
數(shù)字設(shè)計(jì)人員在業(yè)界率先實(shí)施了采用超深亞微米(0.13μm、0.09μm及0.065μm)的微處理器,他們發(fā)現(xiàn),采用更薄的氧化物以及更短的通道長(zhǎng)度能夠產(chǎn)生速度更快的晶體管。模擬基帶 (ABB) 與射頻 (RF) 設(shè)計(jì)人員也緊隨其后,努力尋求一種集成方法,以便為其最終客戶提供單芯片無(wú)線解決方案。
但是,電壓的縮放比例無(wú)法與晶體管的縮放比例保持一致,這就導(dǎo)致了系統(tǒng)解決方案的漏電問(wèn)題很?chē)?yán)重,而漏電必然會(huì)縮短電池使用壽命。幸運(yùn)的是,我們可用某些電源管理技術(shù)來(lái)降低單芯片解決方案的功耗。
可確定的電源損耗形式有三種:工作電流消耗,待機(jī)電流消耗(有時(shí)也指休眠模式),關(guān)閉模式下的漏電消耗。在工作模式中,功耗是靜態(tài)偏置電流功耗與平均開(kāi)關(guān)或時(shí)鐘(動(dòng)態(tài))功耗的總和。待機(jī)是一種低功耗狀態(tài),因?yàn)闀r(shí)鐘已經(jīng)被選通 (gated) 或關(guān)閉,幾乎所有的動(dòng)態(tài)功耗都為零,在這種模式下,靜態(tài)電流的大小決定了電池的壽命。最后,關(guān)閉模式的功耗是亞閾值 (sub-threshold) 漏電的函數(shù)。亞閾值漏電是指當(dāng)芯片關(guān)閉但輸入電壓仍存在時(shí),芯片中晶體管具有的電流。
如果超深亞微米 (UDSM) CMOS 工藝能夠處理更高的電池電壓(4.3V ~ 5.4V),則關(guān)閉模式下的損耗可忽略不計(jì),因?yàn)橛行ǖ篱L(zhǎng)度將更長(zhǎng),并且柵極氧化層將更厚。同樣,工作時(shí)的電源消耗也會(huì)更少,因?yàn)檫@種工藝速率慢、可識(shí)別頻率,并且動(dòng)態(tài)功耗是電容、頻率以及輸入電源的函數(shù)。
因此,必須解決電源管理電路的直流電池通電 (DBH) 問(wèn)題。有兩種最常用的電路在做適當(dāng)修改后可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),它們是低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 和 DC-DC 降壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。
LDO穩(wěn)壓器
在典型的 LDO 設(shè)計(jì)中,大多數(shù)晶體管都會(huì)或多或少暴露在輸入電壓之下,無(wú)論是漏-源電壓 (VDS)、柵-源電壓 (VGS)、柵-漏電壓 (VGD)、柵-體電壓 (VGB) 或上述其他組合電壓。因此,對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)而言,器件的額定電壓必須至少等于電池電壓。例如,在 1.5V CMOS 中,最大電壓應(yīng)該為 1.8V。
最近,工藝的發(fā)展已經(jīng)允許在常規(guī)內(nèi)核晶體管上包含一個(gè)漏極擴(kuò)展而不會(huì)增加成本。這允許典型NMOS 或PMOS內(nèi)核晶體管的 VDS 和 VGD 相應(yīng)擴(kuò)展至更高的電壓,但它不會(huì)提高 VGS 值。因此,在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中,如果要嘗試電池連接,就要關(guān)注器件尺寸,并擴(kuò)展使用電流鉗。我們無(wú)法通過(guò)這種設(shè)計(jì)獲得從未來(lái) UDSM 工藝節(jié)點(diǎn)得到的全部超薄封裝優(yōu)勢(shì),因?yàn)槁O擴(kuò)展晶體管的幾何尺寸無(wú)法像內(nèi)核晶體管一樣縮小那么多。
一種解決方案是自調(diào)整環(huán)繞在一對(duì)PMOS級(jí)聯(lián)電流鏡周?chē)碾娐贰<僭O(shè)有負(fù)反饋來(lái)調(diào)節(jié)或鉗制供電電路輸入端的電壓,那么采用這種技術(shù),大多數(shù)內(nèi)核電路可以忍受電池電壓。對(duì)于 PMOS LDO,這種技術(shù)將使用 LDO 內(nèi)反饋來(lái)調(diào)節(jié)處于內(nèi)核電壓下的 LDO 誤差放大器。
與電池連接的主要 DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊是輸出驅(qū)動(dòng)器和電平轉(zhuǎn)換器--前置驅(qū)動(dòng)器。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出驅(qū)動(dòng)器能使用一個(gè)級(jí)聯(lián)漏極擴(kuò)展PMOS (DEPMOS) 器件以及一個(gè)高壓柵 (HVG,-1.8 V) PMOS器件來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。低壓側(cè)開(kāi)關(guān)或同步整流器可以使用一個(gè)級(jí)聯(lián)漏極擴(kuò)展 NMOS (DENMOS) 器件和一個(gè)內(nèi)核(1.3V~1.5V)NMOS器件。
采用這一級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于,可實(shí)現(xiàn)高壓工作,具有更好的漏電性能和更小的柵-漏電容,如果使用單個(gè) DEPMOS 器件,還必須對(duì)其進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。由于電池連接到一個(gè) HVG PMOS 器件(它的最大 VGS 比 VBAT 小得多)上,所以兩個(gè)器件的 VGS 都需要保護(hù)方案。設(shè)計(jì)者還需要一個(gè)電路來(lái)產(chǎn)生恒定電壓PBias,其值參考電池電壓。
可對(duì) PBIAS 電壓進(jìn)行設(shè)置,這樣,VBAT-PBIAS 便小于晶體管的最大 VGS 值。級(jí)聯(lián) DEPMOS采用PBias作為偏置電壓,當(dāng)驅(qū)動(dòng)HVG PMOS器件時(shí),電平轉(zhuǎn)換器/前置驅(qū)動(dòng)器的電壓介于VBAT與VBAT-PBias之間。電平轉(zhuǎn)換器/前置驅(qū)動(dòng)器可以被設(shè)計(jì)成與輸出場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 相同的級(jí)聯(lián)方式。
低壓降穩(wěn)壓器
在高性能的超深亞微米CMOS中集成一個(gè)外部的系統(tǒng)預(yù)調(diào)節(jié)器,然后把它分成幾個(gè)更小的內(nèi)部調(diào)節(jié)器,這能使這種集成所耗費(fèi)的面積最小。在單位面積上獲得更高的晶體管驅(qū)動(dòng)電流可以減小導(dǎo)通 FET的尺寸。此外,一些更嚴(yán)格的模擬和射頻規(guī)范約束只適用于一個(gè)或兩個(gè)LDO。
例如,一個(gè) 100 mA 的 LDO 可以被分成一個(gè) 50 mA 的數(shù)字 LDO、一個(gè) 10 mA的 RF LDO 以及一個(gè) 40 mA 的模擬LDO。對(duì)于數(shù)字 LDO,電源抑制和精度并不重要,因此功率 FET可以減小至線性區(qū)域的工作邊緣。帶 40 mA 負(fù)載電流的模擬 LDO 變得更容易補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)的時(shí)候,可以讓它具有高電源抑制,并讓它的輸出導(dǎo)通 FET工作在線性區(qū)域的邊緣。
當(dāng)使用幾個(gè)LDO時(shí),待機(jī)模式下的靜態(tài)電流將增大。例如,在待機(jī)狀態(tài)下,禁用模擬與 RF LDO 可以減少相當(dāng)一部分的靜態(tài)電流。剩下的數(shù)字 LDO 在外部解決方案中僅消耗 50mA~250mA。
一種解決方案是使用自適應(yīng)偏置 LDO 設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的原理是正反饋一部分輸出負(fù)載電流到 LDO 誤差放大器的差分對(duì)的尾電流中,因此僅當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)總的靜態(tài)電流才會(huì)增加。這種架構(gòu)能實(shí)現(xiàn)小于 10mA 的待機(jī)電流,同時(shí)仍能提供50mA 的輸出電流,并保持良好的瞬態(tài)負(fù)載調(diào)整率。
DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器用于更高電流(大于 200mA)的應(yīng)用中,在這種情況,LDO的無(wú)效功率成為總功率的重要部分。在滿負(fù)荷時(shí),降壓轉(zhuǎn)換器的有效功率能達(dá)到95%,這使它極具吸引力,但必須以更大的面積和更多的外部元件作為代價(jià)。
為了盡可能延長(zhǎng)電池使用壽命,DC-DC 轉(zhuǎn)換器必須在較大負(fù)載范圍內(nèi)維持高效率。脈寬調(diào)制 (PWM) 被用于高電流負(fù)載,而脈頻調(diào)制 (PFM) 模式被用于輕負(fù)載。在高負(fù)載電流時(shí),控制 PWM 信號(hào)的占空比可以調(diào)節(jié)輸出電壓。
在 PWM 模式下,轉(zhuǎn)換器工作在固定頻率上,而該頻率可以被對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用所過(guò)濾。在這種模式下,主要損耗是當(dāng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生的傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。為了在輕負(fù)載時(shí)維持高效率,開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)根據(jù) PFM 的規(guī)律降低,并允許它隨負(fù)載變化,從而減少開(kāi)關(guān)損耗。此外,PFM 模式還能關(guān)斷大部分電路以降低靜態(tài)電流。
評(píng)論