電源管理帶來挑戰(zhàn)
隨著蜂窩電話變得越來越先進,系統(tǒng)工作時的功耗以及待機時的功耗也隨之增加。因此,便攜式無線設備的電源管理設計在 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)字設計人員在業(yè)界率先實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度能夠產(chǎn)生速度更快的晶體管。模擬基帶 (ABB) 與射頻 (RF) 設計人員也緊隨其后,努力尋求一種集成方法,以便為其最終客戶提供單芯片無線解決方案。
但是,電壓的縮放比例無法與晶體管的縮放比例保持一致,這就導致了系統(tǒng)解決方案的漏電問題很嚴重,而漏電必然會縮短電池使用壽命。幸運的是,我們可用某些電源管理技術來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,待機電流消耗（有時也指休眠模式）,關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關或時鐘（動態(tài)）功耗的總和。待機是一種低功耗狀態(tài),因為時鐘已經(jīng)被選通 (gated) 或關閉,幾乎所有的動態(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)。亞閾值漏電是指當芯片關閉但輸入電壓仍存在時,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）,則關閉模式下的損耗可忽略不計,因為有效通道長度將更長,并且柵極氧化層將更厚。同樣,工作時的電源消耗也會更少,因為這種工藝速率慢、可識別頻率,并且動態(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) 問題。有兩種最常用的電路在做適當修改后可以實現(xiàn)這一點,它們是低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 和 DC-DC 降壓開關調節(jié)器。
LDO穩(wěn)壓器
在典型的 LDO 設計中,大多數(shù)晶體管都會或多或少暴露在輸入電壓之下,無論是漏－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,對于一個簡單設計而言,器件的額定電壓必須至少等于電池電壓。例如,在 1.5V CMOS 中,最大電壓應該為 1.8V。
最近,工藝的發(fā)展已經(jīng)允許在常規(guī)內核晶體管上包含一個漏極擴展而不會增加成本。這允許典型NMOS 或PMOS內核晶體管的 VDS 和 VGD 相應擴展至更高的電壓,但它不會提高 VGS 值。因此,在傳統(tǒng)設計中,如果要嘗試電池連接,就要關注器件尺寸,并擴展使用電流鉗。我們無法通過這種設計獲得從未來 UDSM 工藝節(jié)點得到的全部超薄封裝優(yōu)勢,因為漏極擴展晶體管的幾何尺寸無法像內核晶體管一樣縮小那么多。
一種解決方案是自調整環(huán)繞在一對PMOS級聯(lián)電流鏡周圍的電路。假設有負反饋來調節(jié)或鉗制供電電路輸入端的電壓,那么采用這種技術,大多數(shù)內核電路可以忍受電池電壓。對于 PMOS LDO,這種技術將使用 LDO 內反饋來調節(jié)處于內核電壓下的 LDO 誤差放大器。
與電池連接的主要 DC／DC 轉換器模塊是輸出驅動器和電平轉換器--前置驅動器。開關調節(jié)器的輸出驅動器能使用一個級聯(lián)漏極擴展PMOS (DEPMOS) 器件以及一個高壓柵 (HVG,－1.8 V) PMOS器件來實現(xiàn)高壓側開關。低壓側開關或
