采用超深亚微米CMOS的无线电源管理系统
Wireless Power Management Systems in Ultra-DeepSub-MicronCMOS
1.简介
---如今,无线电源管理设计工程师在 I／O 接口、能量管理以及电池使用寿命方面面临着新的挑战。随着蜂窝电话变得越来越先进,系统工作时的功耗以及系统待机时的功耗也随之增加,这些变化同时也推动了向高应用性能与多功能的发展。数字设计人员在业界率先实施了采用超深亚微米（0.13μm、0.09μm及0.065μm）的微处理器,他们发现,采用更薄的氧化物以及更短的通道长度能够产生速度更快的晶体管。模拟基带 (ABB) 与射频 (RF) 设计人员也紧随其后,努力寻求一种集成方法,以便为其最终客户提供单芯片无线解决方案。但是,电压的缩放比例无法与晶体管的缩放比例保持一致,这就导致了系统解决方案的漏电问题很严重,而漏电必然会缩短电池使用寿命。下面将介绍单芯片解决方案中采用的某些电源管理技术,以及这些技术是如何不断演进,以应对延长电池使用寿命这一挑战的。
2.能量管理
---可确定的电源损耗形式有三种：1) 工作电流消耗,2) 待机电流消耗（有时也指休眠模式）, 3) 关闭模式下的漏电消耗。在工作模式中,功耗是静态偏置电流功耗与平均开关或时钟（动态）功耗的总和。待机是一种低功耗状态,因为时钟已经被选通或关闭,几乎所有的动态功耗都为零,在这种模式下,静态电流的大小决定了电池的寿命。最后,关闭模式的功耗是亚阈值 (sub-threshold) 漏电的函数。亚阈值漏电是指当芯片关闭但输入电压仍存在时,芯片中晶体管具有的电流。
---如果超深亚微米 (UDSM) CMOS 工艺能够处理更高的电池电压（4.3V ～5.4V）,则关闭模式下的损耗可忽略不计,因为有效通道长度将更长,并且栅极氧化层将更厚。同样,工作时的电源消耗也会更少,因为这种工艺速率慢、可识别频率,并且动态功耗是电容、频率以及输入电源的函数。因此,在讨论采用 UDSM 的能量管理时,必须解决电源管理电路的直流电池通电 (DBH) 问题。有两种最常用的电路在做适当修改后可以实现这一点,它们是低压降稳压器 (LDO) 和 DC-DC 降压开关调节器。
