電源管理所面臨的挑戰(zhàn)及概述

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(diào)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1.5VCMOS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(nèi)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(nèi)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(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PMOS級聯(lián)電流鏡周圍的電路。假設有負反饋來調(diào)節(jié)或鉗制供電電路輸入端的電壓，那么采用這種技術，大多數(shù)內(nèi)核電路可以忍受電池電壓。對于PMOSLDO，這種技術將使用LDO內(nèi)反饋來調(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)動器和電平轉(zhuǎn)換器--前置驅(qū)動器。開關調(diào)節(jié)器的輸出驅(qū)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，-1.8V)PMOS器件來實現(xiàn)高壓側(cè)開關。低壓側(cè)開關或同步整流器可以使用一個級聯(lián)漏極擴展NMOS(DENMOS)器件和一個內(nèi)核(1.3V～1.5V)NMOS器件。

采用這一級聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，可實現(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DEPMOS器件，還必須對其進行開關操作。由于電池連接到一個HVGPMOS器件(它的最大VGS比VBAT小得多)上，所以兩個器件的VGS都需要保護方案。設計者還需要一個電路來產(chǎn)生恒定電壓PBias，其值參考電池電壓。

可對PBIAS電壓進行設置，這樣，VBAT-PBIAS便小于晶體管的最大VGS值。級聯(lián)DEPMOS采用PBias作為偏置電壓，當驅(qū)動HVGPMOS器件時，電平轉(zhuǎn)換器/前置驅(qū)動器的電壓介于VBAT與VBAT-PBias之間。電平轉(zhuǎn)換器/前置驅(qū)動器可以被設計成與輸出場效應晶體管(FET)相同的級聯(lián)方式。

低壓降穩(wěn)壓器

在高性能的超深亞微米CMOS中集成一個外部的系統(tǒng)預調(diào)節(jié)器，然后把它分成幾個更小的內(nèi)部調(diào)節(jié)器，這能使這種集成所耗費的面積最小。在單位面積上獲得更高的晶體管驅(qū)動電流可以減小導通FET的尺寸。此外，一些更嚴格的模擬和射頻規(guī)范約束只適用于一個或兩個LDO。

例如，一個100mA的LDO可以被分成一個50mA的數(shù)字LDO、一個10mA的RFLDO以及一個40mA的模擬LDO。對于數(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40mA負載電流的模擬LDO變得更容易補償。在設計的時候，可以讓它具有高電源抑制，并讓它的輸出導通FET工作在線性區(qū)域的邊緣。

當使用幾個LDO時，待機模式下的靜態(tài)電流將增大。例如，在待機狀態(tài)下，禁用模擬與RFLDO可以減少相當一部分的靜態(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偏置LDO設計。該設計的原理是正反饋一部分輸出負載電流到LDO誤差放大器的差分對的尾電流中，因此僅當負載電流增加時總的靜態(tài)電流才會增加。這種架構(gòu)能實現(xiàn)小于10mA的待機電流，同時仍能提供50mA的輸出電流，并保持良好的瞬態(tài)負載調(diào)整率。

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器用于更高電流(大于200mA)的應用中，在這種情況，LDO的無效功率成為總功率的重要部分。在滿負荷時，降壓轉(zhuǎn)換器的有效功率能達到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。

為了盡可能延長電池使用壽命，DC-DC轉(zhuǎn)換器必須在較大負載范圍內(nèi)維持高效率。脈寬調(diào)制(PWM)被用于高電流負載，而脈頻調(diào)制(PFM)模式被用于輕負載。在高負載電流時，控制PWM信號的占空比可以調(diào)節(jié)輸出電壓。

在PWM模式下，轉(zhuǎn)換器工作在固定頻率上，而該頻率可以被對噪聲敏感的應用所過濾。在這種模式下，主要損耗是當轉(zhuǎn)換器進行功率轉(zhuǎn)換時發(fā)生的傳導損耗和開關損耗。為了在輕負載時維持高效率，開關頻率應根據(jù)PFM的規(guī)律降低，并允許它隨負載變化，從而減少開關損耗。此外，PFM模式還能關斷大部分電路以降低靜態(tài)電流。