低門限電壓延長電池壽命技術

多年以來，從事電源管理業(yè)務的半導體制造商盡力跟上終端系統(tǒng)用戶的需求。越來越多的便攜式電子產(chǎn)品在功能上花樣翻新，這些產(chǎn)品需要峰值性能，要求設計者在設備的物理尺度內實現(xiàn)盡可能高的效率。雖然電池行業(yè)努力開發(fā)具有比傳統(tǒng)鎳鎘（NiCd）電池電量更高的替代電池技術，但還遠不能滿足新一代便攜設備對能量的需求。因此，便攜式應用不得不尋求在低功耗電路設計上的創(chuàng)新開發(fā)，使設計工程師可以讓終端系統(tǒng)以盡可能高的效率使用電池資源。在便攜式設備中，元器件是功耗預算的主要部分，而且很顯然，要跟上需求的變化，半導體器件制造商需要不斷創(chuàng)新，幫助降低便攜式產(chǎn)品的功耗。

　　以手機為例，降低模擬和數(shù)字基帶芯片等手持設備中主要器件的工作電壓是降低功耗的辦法之一。在不需要DSP或微處理器發(fā)揮最大性能的時候，可以降低內核供電電壓，并且降低時鐘頻率。越來越多的新一代低功耗應用采用了此項技術，以盡可能地節(jié)約系統(tǒng)能量。公式PC~(VC)2.F描述了一個DSP內核的功耗，這里，PC是內核的功耗，VC 是內核電壓，F(xiàn)是內核時鐘頻率。降低內部時鐘頻率可以減少功耗，降低內核供電電壓可以把功耗降得更多。

　　先進的硅片和封裝技術能起到什么作用

　　有很多音箱新興高耗電便攜式設備性能的設計因素，本文將主要以在低電壓應用中最常見的功率開關功率MOSFET為例，說明最新的硅技術突破在增加電源需求上的影響。為說明這些技術進步的影響，有必要了解功率MOSFET的一些關鍵參數(shù)。

　　通道的導通電阻（rDS(on)）是由通道的橫向和縱向電場控制的。通道電阻主要由柵源電壓差決定的。當VGS超過門限電壓(VGS(th))，F(xiàn)ET開始導通。許多操作要求開關接地點。功率MOSFET通道的電阻與由公式R= L/A確定的物理尺寸有關，這里是電阻率，L是溝道長度，A是W x T，即溝道的橫截面積。

　　在通常的FET結構中，L和W是由器件的幾何尺寸確定的，而溝道厚度T是兩個耗盡層之間的距離。耗盡層的位置會隨柵源偏置電壓或漏源電壓而變。耗盡層的位置會隨柵源偏置電壓或漏源電壓而變。當T在VGS和VDS的影響下減小到零時，兩個對邊的耗盡層就會連在一起，增加的溝道電阻(rDS(on))會接近無窮大。

　　圖1是rDS(on)與VGS特性的關系曲線。區(qū)域1對應的是累積電荷不足以產(chǎn)生反向的情況。區(qū)域2對應的條件是有足夠的電荷，使P區(qū)的一部分反向并形成溝道，但這還不夠，因為“空間電荷”效應也是很重要的。區(qū)域3對應的是電荷有限的情況，當柵體電勢升高時，rDS(on)沒有明顯變化。

圖 1: rDS(on) 與VGS 特性的關系曲線