降低能量消耗,、延長電池壽命，這是每個工程師在設(shè)計便攜式電子產(chǎn)品時努力的目標(biāo),。電池技術(shù)的進步非常緩慢,，所以便攜式產(chǎn)品的設(shè)計者把延長電池壽命的重點放在電源管理上。多年以來,，從事電源管理業(yè)務(wù)的半導(dǎo)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(shè)計者在設(shè)備的物理尺度內(nèi)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(shù),，但還遠不能滿足新一代便攜設(shè)備對能量的需求。因此,，便攜式應(yīng)用不得不尋求在低功耗電路設(shè)計上的創(chuàng)新開發(fā),，使設(shè)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(shè)備中,，元器件是功耗預(yù)算的主要部分,，而且很顯然，要跟上需求的變化,，半導(dǎo)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(shè)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(nèi)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(yīng)用采用了此項技術(shù),，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(nèi)核的功耗，這里,，PC是內(nèi)核的功耗,，VC 是內(nèi)核電壓，F(xiàn)是內(nèi)核時鐘頻率,。降低內(nèi)部時鐘頻率可以減少功耗,，降低內(nèi)核供電電壓可以把功耗降得更多。
先進的硅片和封裝技術(shù)能起到什么作用
有很多音箱新興高耗電便攜式設(shè)備性能的設(shè)計因素,，本文將主要以在低電壓應(yīng)用中最常見的功率開關(guān)功率MOSFET為例,，說明最新的硅技術(shù)突破在增加電源需求上的影響。為說明這些技術(shù)進步的影響,，有必要了解功率MOSFET的一些關(guān)鍵參數(shù),。
通道的導(dǎo)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(dāng)VGS超過門限電壓(VGS(th)),，F(xiàn)ET開始導(dǎo)通。許多操作要求開關(guān)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(guān),，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(jié)構(gòu)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(dāng)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(guān)系曲線,。區(qū)域1對應(yīng)的是累積電荷不足以產(chǎn)生反向的情況。區(qū)域2對應(yīng)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(yīng)也是很重要的,。區(qū)域3對應(yīng)的是電荷有限的情況,，當(dāng)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(guān)系曲線
閾值電壓(VGS(th))是用來描述需要多大電壓來使溝道導(dǎo)通的參數(shù),。VGS控制著飽和電流ID的大小，VGS增加會使常量ID變小,，因此需要更小的VDS來達到曲線的拐點(圖2所示),。
（圖中文字：在額定RDS(on)和1.5V電壓下，驅(qū)動電路不需要電平轉(zhuǎn)換電路就能導(dǎo)通MOSFET）
圖2: 不同柵極電壓下rDS(on) 與 Id的關(guān)系曲線 (資料來源: Vishay Siliconix)
可以通過采用低閾值電壓的晶體管來實現(xiàn)高速性能和低功耗工作,。在信號路徑上使用低閾值功率MOSFET,，可以降低供電電壓(VDD)，從而在不影響性能的前提下減少開關(guān)功率耗散,。這就是為什么,，為滿足用戶在降低功耗、延長電池壽命方面與日俱增的需求,，許多用于便攜式電子系統(tǒng)的ASIC采用1.5V左右的內(nèi)核電壓進行工作,。然而直到現(xiàn)在，由于缺少能在這樣低的電壓下導(dǎo)通的功率MSOFET,，設(shè)計者如果不使用電平轉(zhuǎn)換電路,，就難以發(fā)揮低于1.8V的電壓在降低功耗上的好處，而使用電平轉(zhuǎn)換電路會使電路變得更復(fù)雜,，同時也會增加功耗,。Vishay Siliconix在業(yè)界率先推出了一系列突破性的功率MOSFET，能保證在1.5V電壓下導(dǎo)通,，從而解決了這個難題,。
（圖中文字：在額定RDS(on)和1.5V電壓下,，驅(qū)動電路不需要電平轉(zhuǎn)換電路就能導(dǎo)通MOSFET）
圖3，減小VGS(th)能夠讓驅(qū)動器用更低的輸出電壓使開關(guān)導(dǎo)通,，減少所需的電平轉(zhuǎn)換電路
從以往的經(jīng)驗來看,，我們需要一個不低于1.8V的閾值電壓對所有功率MSOFE中閾值點的負溫度系數(shù)進行補償。如果器件工作在125℃的溫度下（這在便攜式應(yīng)用是很可能出現(xiàn)的情況）,，現(xiàn)有的MOSFET設(shè)計不得不提高MOSFET的閾值電壓,，防止MOSFET發(fā)生自導(dǎo)通，因為即便所施加的VGS為0V,，低閾值電壓的MOSFET也可能發(fā)生自導(dǎo)通,。
尤其是便攜式設(shè)備和手機對多媒體功能的要求是永無止境的。設(shè)計者要盡力提供更強的數(shù)據(jù)處理能力,，同時盡量滿足下一代便攜式設(shè)備的特殊電源需求,。不過毫無疑問的一點是，采用先進硅片工藝和封裝技術(shù)的功率MOSFET將能夠提供設(shè)計者所期望的電源效率,、超小尺寸和低成本,，把這些多媒體手機由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實。