功率管理技术介绍

其中K1、γ、η、N取决于工艺，VT是热电压，K1是栅极氧化物厚度的函数。你可以把栅极至源极电压设为0V，并把漏极至源极电压设为等于电源电压VDD，由此获得晶体管中的关断电流或泄漏电流。在这些条件下，由于电源电压远大于热电压，因此你可以把下列项

本文引用地址： //m.amcfsurvey.com/article/185728.htm

　　（6）

　　近似为1，得出

　　（7）

　　现在可把泄漏功率写成

　　（8）

根据这个结果，你可以看到控制功率的主要参数是阈值电压、氧化物厚度、晶体管长度与宽度、电源电压、反向栅极偏压。由于有功功率随电源电压的平方而变化，因此降低电源电压对降低有功功率具有最大的影响。功率降低速度是电压降低速度的两倍，即电源电压降低20%会导致有功功率降低40%。其余参数只是以线性方式影响有功功率。晶体管长度、宽度或阈值电压的任何明显变化都对晶体管的性能具有不利影响。因此它们在降低有功功率方面仅起着很小的作用。从方程5可看到

　　（9）

　　如果ΔVGS = -NVT，则方程变为

　　（10）

　　意味着有效栅极至源极电压每降低NVT，N对于某种技术一般是1～2.5，并且阈值电压在室温时等于26 mV，因此栅极至源极电压每变化50 mV～75 mV，你都会看到亚阈值电流降低至2.7分之一。提高阈值电压具有相同效果。因此，阈值电压每提高50 mV～75 mV，泄漏电流都会降低至2.7分之一。阈值电压提高100 mV～150 mV，会使泄漏电流降低至7.4分之一。

　　你可以通过提高反向栅极偏压来进一步降低泄漏电流。由于存在体偏压系数γ，收效会不太明显。降低电源电压也有助于降低泄漏电流。增加晶体管的沟道长度不仅直接降低泄漏电流（如方程5所示），而且还有助于提高阈值电压（如方程2所示）。

　　亚阈值电流以指数形式依赖于温度。由于NVT项出现在负指数的分母中，因此在温度升高时，电流会显着增加。这种增加会带来重大挑战，这是因为泄漏功率在高温时变成了总功率的重要部分。

　技术的作用

　　每一次技术进步的目标都是为了改善性能、密度和功耗。工艺设计者调整施加的电压和氧化物厚度来保持相同电场。该途径在每个新的技术节点都会使功率降低大约50%。但是，随着电压的降低，阈值电压也必须降低，来实现该技术的性能目标。

　　由于无法立即同时在性能和泄漏方面优化某种技术，因此每种技术通常会有两个变种。一个变种针对高性能，另一个针对低泄漏。二者的首要区别是氧化物厚度、电源电压和阈值电压。栅极氧化物较厚的技术变种面向低泄漏设计，并且必须支持更高的电压来实现合理性能。

　　方程2表明了依赖于工艺的参数γ和ΘS，你可以操纵它们来控制阈值电压。这些参数取决于杂质浓度，工艺设计者可使用一个额外的注入掩模来调节该浓度。然后你可以运用该方法来控制设计方案的泄漏功率。

　　在选择技术来优化特定设计的功率时，你必须同时考虑两个方面：需要使用更小的几何结构来降低有功功率；需要使用低泄漏的变种来降低泄漏。但在成本和风险方面需要折中。

　　更小的几何结构需要在掩模成本和其它一次性工程支出方面投入更多的初始资金。虽然它们凭借每块晶圆可生产出更多器件而具有单位成本优势，但它们也在工艺和设计成熟度方面带来了更高风险。如果设计方案包含SERDES等复杂电路，或是该工艺中新出现的其它敏感的块，那么设计风险可能很高。新技术的工艺缺陷通常是在它投产一年或更久之后被全部消除，然后成品率会稳定下来。

　　问题的答案取决于功率的性质和最终应用。如果最终应用是由电池供电，那么你必须使泄漏最小化。例如，如果你能关断处于待机模式的设计方案，那么它就不需要低泄漏工艺，这是因为你可以关断高性能系统中的电路，并且同时实现低泄漏的好处。

　　低泄漏工艺需使用更高的电压，并且一般具有更大的面积，因此对于相同性能，会消耗更大的有功功率。因此对于低泄漏工艺选择工作，泄漏功率是首要推动因素。当泄漏功率在设计方案的工作期间成为总功率的重要部分，或是当设计方案对待机模式的功率（泄漏起着主导作用）有严格要求时，选择低泄漏工艺就能满足这些要求。在其它多数情况下，你可以选择标准工艺，用它和多种电路设计方法来优化功率。