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[東華大學專欄] 可調整最小待機漏電流之動態電源閘控系統 列印
作者是 user   
週四, 21 十二月 2017 08:10

資料提供/東華大學電機工程學系 助理教授何盈杰

資料整理/記者江思婷

近年手機,平板電腦等手持式電子商品的普及化,低功率設計讓電路能降低功率消耗並延長電池的壽命,而「穿戴式裝置」(Wearable Devices) 讓可攜式電子產品已進入新世代。穿戴式裝置漸行漸多,你可以想像不久的未來,你將會穿上功能強大的醫療電子衣,包括測量心跳、血壓、體重、體脂肪、運動量等等的裝置,將往結合到智慧型手錶的方向演進,不但可以即時提供你大量的資訊與通訊,融合你生活上所有必備智慧型手機與數位相機等功能,更可以協助你監控你個人的生理狀況。

穿戴式裝置將大幅改變人類的生活但是一方面需提升使用的舒適度,一方面也要改善可攜式儀器在功能上的效能。待機功率消耗休眠電源管理對於穿戴式裝置必再度成為關鍵技術。進一步考慮休眠電源管理,在手持式裝置應用中,大部分電路在同一時刻是處在待機(Idle)模式下,此時便能適度地處理時脈閘門或電源閘門(Power Gating)訊號來節省功耗。在這次的設計裡,我們的團隊提出的改良的局部升壓電路,並以以前的成果為基礎繼續延伸。

本作品的目標是開發適用於穿戴式裝置之低功率電路的待機功耗管理,用以減少漏電流,達到長效待機的結果。

近年在國際知名固態電子電路期刊JSSC上所發表的靜態的電源閘電路設計主要採用高門檻電壓或堆疊電源元件的方式,我們採用動態的靴帶式升壓電路的技術,強力關閉待機時的電源閘,可使得待機時的漏電相較傳統電源閘省下超過90%的漏電。

我們使用UMC 0.18um的製程實現動態的靴帶式電源閘電路,並將相關的設計重新設計並比較待機功耗。可以清楚得看到我們的設計有比較好的結果,能夠有效壓抑待機或休眠時的靜態功率消耗。即使模擬條件為FF、125℃的嚴格條件之下,我們的設計可以得到僅有57nW休眠靜態消耗結果。

所提出應用在電源閘控的靴帶式電壓維持電路(Power Gating Using Bootstrap Voltage Keeper)的概念示意圖如圖一,靴帶式電壓維持電路使用了靴帶式電路、電荷補償電路(Charge Compensator)和脈衝生成器(Pulse Generation),其中靴帶式電路可產生負的驅動電壓來控制後級電源電晶體(Power MOS)電路在休眠模式時候能強力關閉電源閘,電荷補償電路用來補充靴帶式電路的2V_DD電荷,脈衝生成器則是使用在調整工作週期(Duty Cycle),另外電壓維持控制(Keeper Control)則是在休眠模式才會將開關關閉讓電荷補充。待測電路方面,使用低臨界電壓的邏輯電路作為測試電路(CUT, Circuit Under Test)在待測電路進入待機模式時,隔離邏輯電路和電源端的連結。

由圖二可看見所提出之靴帶式電壓維持電路,其輸出在待機模式的時候能夠提供2VDD的電壓給電源電晶體的閘級,有效降低電晶體的漏電流。而因為現在製程的進展讓漏電流的問題只會愈來愈嚴重,待機功耗也會成為一項嚴重的問題,因此未來希望使用尺寸更小的製程來製作此電源閘控的架構,以期在更先進的製程發揮更大的作用。

圖四為整體晶片佈局圖,包括靴帶式電壓維持電路、電源電晶體和待測電路,其佈局總面積為747um×623um。

圖五則為晶片模擬結果,其為前級驅動電路、後級待測電路的漏電流兩者加總的功率消耗關係圖,雖然前級驅動電路會隨著頻率上升而增加功耗,但後方待測電路卻會因為較大的驅動電壓而降低漏電流。且因前級驅動電路的功耗遠小於待測電路之漏電流,因此從圖五可得知當頻率越高,本電路更能有效抑制電路之漏電流。

未來晶片趨勢將有愈來愈嚴重的漏電流問題,待機功耗將會是手持式裝置待機的關鍵,本專題所製作之電源閘控的架構,在未來或使用在更先進的製程中將發揮更大的作用。