Wireless Power Management Systems in Ultra-Deep Sub-Micron CMOS

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。

3.直流电池通电 (Direct Battery Hookup)
---低压降稳压器
---在典型的 LDO 设计中，大多数晶体管都会或多或少暴露在输入电压之下，无论是漏－源电压 (VDS)、栅－源电压 (VGS)、栅－漏电压 (VGD)、栅－体电压 (VGB) 或上述其他组合电压。因此，对一个简单设计而言，器件的额定电压必须至少等于电池电压。例如，在 1.5V CMOS 中，最大电压应该为 1.8V。最近，工艺的发展已经允许在常规内核晶体管上包含一个漏极扩展而不增加成本。这允许一个典型NMOS 或PMOS内核晶体管的VDS 和VGD扩展到更高的电压，但它不会提高VGS值。因此，在传统设计中，如果要尝试电池连接，就要关注器件尺寸并扩展使用电流钳--必须观察其在加电或处于瞬态负载条件下的使用情况。我们无法通过这种设计获得从未来 UDSM 工艺节点得到的全部超薄封装优势，因为漏极扩展晶体管的几何尺寸无法像内核晶体管一样缩小那么多。
---一种解决方案是自调整环绕在一对PMOS级联电流镜周围的电路。假设有负反馈来调节或钳制供电电路输入端的电压，那么采用这种技术，大多数内核电路可以忍受电池电压。对于PMOS LDO，这种技术将使用LDO内反馈来调节处于内核电压下的LDO误差放大器，这可能刚好等于 LDO 的输出电压。该架构要求使用一组钳位二极管，并且它们涵盖了电源 FET 的栅源电压，即 PMOS 或 NMOS，并且与面积无关。此外，这些二极管钳位还提供了价格低廉而高效率的输出短路电流钳位，这对最终客户系统中的 LDO 来说必不可少。电池电压的上限可不断提高，并将成为必须用作 PMOS／NMOS 导通晶体管的漏极扩展器件上 VDS 的最大值的函数。
---开关调节器
---与电池连接的主要DC／DC 转换器模块是输出驱动器和电平转换器－前置驱动器。开关调节器的输出驱动器能使用一个级联漏极扩展PMOS (DEPMOS) 器件和一个高压栅 (HVG，－1.8 V) PMOS器件来实现高压侧开关。低压侧开关或同步整流器能使用一个级联漏极扩展NMOS (DENMOS) 器件和一个内核（1.3V～1.5V）NMOS器件。使用这一级联结构的优势在于，可实现高压工作，具有更好的漏电性能和更小的栅－漏电容 (CGD)，如果使用单个 DEPMOS 器件，还必须对其进行开关操作。
---由于电池连接到一个HVG PMOS器件（它的最大VGS比VBAT小得多）上，所以两个器件的VGS都需要保护方案。设计者还需要一个电路来产生恒定电压PBias，其值参考电池电压。该电路非常简单，如同晶体管生成的电流在电源电阻器上不断降低一样。我们应跟踪晶体管的变化，提供对输入电源来说相对恒定的电压。可对 PBIAS 电压进行设置，这样，VBAT-PBIAS 便小于晶体管的最大 VGS 值。级联 DEPMOS采用PBias作为偏置电压，当驱动HVG PMOS器件时，电平转换器／前置驱动器的电压介于VBAT与VBAT-PBias之间。电平转换器／前置驱动器可以被设计成与输出场效应晶体管 (FET) 相同的级联方式。用户可以使用传统的电平转换器，将 PMOS 侧及 NMOS 侧与漏极扩展晶体管串联在一起，然后使用相同的 PBIAS 电压来控制工作期间的电压偏移。

4.集成
---低压降稳压器
---在高性能的超深亚微米CMOS中集成一个外部的系统预调节器，然后把它分成几个更小的内部调节器，这能使这种集成所耗费的面积最小，从而在单位面积上获得更高的晶体管驱动电流，并因此减小导通 FET的尺寸。此外，一些更严格的模拟和射频规范约束只适用于一个或两个LDO。 例如，一个100 mA的LDO可以被分成一个50 mA的数字LDO、一个10 mA的RF LDO和一个40 mA的模拟LDO。对于数字 LDO，电源抑制和精度并不重要，因此功率FET只需工作在线性区域的边缘，从而显著缩小了 50mA 负载时占用的面积。带 40 mA 负载电流的模拟 LDO 变得更容易补偿。在设计的时候，可以让它具有高电源抑制，并让它的输出导通 FET工作在线性区域的边缘。这并非传统的 LDO 设计，必须移动到直流电池通电 (DBH) 架构，以获得高电源抑制优势。
---当使用几个LDO时，待机模式下的静态电流将增大，不解决这一问题，会更快耗尽电能。在待机状态下，使模拟和RF LDO失效可以减少相当部分的静态电流。剩下的数字LDO在外部解决方案中仅消耗50mA～250mA。一种解决方案是使用自适应偏置LDO设计。该设计的原理是正反馈一部分输出负载电流到LDO误差放大器的差分对的尾电流中，因此仅当负载电流增加时总的静态电流才会增加。这种结构能实现小于10mA的待机电流，同时仍能提供50mA的输出电流，并保持良好的瞬态负载调整率。
---开关调节器
---DC-DC 降压转换器是当今无线 IC 中电源管理解决方案的关键组件。DC／DC降压转换器用于更高电流（大于200mA）的应用中，在这种情况，LDO的无效功率成为总功率的重要部分。在满负荷时，降压转换器的有效功率能达到95%，这使它显得很有吸引力，但必须以更大的面积和更多的外部元件作为代价。为了尽可能延长电池寿命，DC-DC转换器必须在较大负载范围内维持高效率。脉宽调制(PWM) 被用于高电流负载，而脉频调制 (PFM) 模式被用于低负载。在高负载电流时，控制PWM信号的占空比可以调节输出电压。在PWM模式，转换器工作在固定频率，而该频率可以被对噪声敏感的应用所过滤。在这种模式中，主要损耗是当转换器进行功率转换时发生的传导损耗和开关损耗。为了在低负载时维持高效率，开关频率应根据PFM的规律降低，并允许它随负载变化，从而减少开关损耗。PFM模式还能关闭大部分电路以降低静态电流。

5.静态电压缩放与自适应电压缩放
---有多种集成电源管理技术可用于降低工作、待机与关闭模式的功耗。其中两种最常用的方法均与电源电压缩放及晶体管后偏置有关。电源电压缩放可以是静态，也可以是动态的。LDO 通常用于静态电源缩放。例如，可以使用内部低静态电流 LDO 将 1.3V 预调节电源（内部或外部）降至 1V。为了最大限度提高效率，可以使用开关来断开外部去耦电容器的连接，使其保持 1.3V 的充电电压。通过外部稳压器来实施电压缩放可能需要对体积很大的电容器进行放电与充电。
---动态电压缩放更复杂一些，并且会根据系统的性能要求来更改微处理器系统在空闲时的输入电源，这种方法通常会用到开关调节器。为了简化动态电压缩放的实施，可能需要使用将预定义的系统频率功能与工作输入电压相匹配的查寻表。此外，在实施过程中，还可以在可动态控制 DC-DC 转换器的锁相环中使用环路振荡器，以最大限度地提高周围组件的效率。
---通过漏电控制的晶体管主体后偏置方法，可以人为提高 PMOS 与 NMOS 晶体管的阈值电压，从而降低亚阈值泄漏。为了实现这一点，源－体电压 (VSB) 需满足以下条件：针对 NMOS 晶体管为正，针对 PMOS 晶体管为负。使用 LDO 可以提高所有接地 NMOS 晶体管的接地电压（而不是基板电压）。同样，也可使用充电泵来提高 PMOS 晶体管的体电压。在这两种实施方法中，采用 LDO 的方法更简单。

6.总结
---单芯片无线解决方案的发展促使许多模拟基带与射频功能以及DSP与数字基带 (DBB) 采用UDSM方式进行集成。为了处理其原有的系统集成电路，无线系统工程师必须使用外部稳压器将电池电压预先调节至适合UDSM CMOS 的值。设计工程师认为，集成电源管理技术不仅无须使用该稳压器，而且还有助于降低其系统的关闭、待机与工作时的总耗流量，从而延长了总体电池使用寿命。