绝热式渐次充电技术在CMOS电路中的应用

陈梦浩　程耕国　程骅

摘 要： 随着集成电路技术的不断发展，功耗带来的挑战也日益突出，因此各种节能方法被不断地提出。基于以上所提及的功耗问题，提出一种绝热式渐次充电技术，它能够有效地降低CMOS电路中的能量损耗，达到节能的目的，同时还能降低电路中信号传播时延。这种绝热式渐次充电驱动器是由若干电容、直流电源和相关MOSFET组成的，在这种电路中，渐次式电压的产生几乎不消耗能量。为了凸显该技术的优势，将这种方法与传统的变化电压降低功耗的方法进行比较，经过最终的仿真对比发现该技术比传统的变化电压节能方法在能耗上大幅度降低，与此同时电路中信号传播时延也相应地得以降低。

关键词： 节能； CMOS电路； 绝热式渐次充电； 传播时延

中图分类号： TN433?34； TN710.2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0138?04

Abstract： With the development of integrated circuit technology， the challenge brought by power dissipation has become more prominent， and many power?efficient methods have been proposed. Since the situation exists， an adiabatic stepwise charging technique is put forward in this paper， which can effectively reduce power dissipation in CMOS circuit to achieve the goal of energy conservation and can also reduce time delay of signal propagation in circuit. This adiabatic stepwise charging driver is composed of some capacitors， DC power supply and related MOSFET. The stepwise voltage hardly consumes energy in this circuit. In order to highlight the advantages of the technology， this method is compared with the traditional one. The simulation results show this technology can reduce energy dissipation more than the traditional methods， and decrease the time delay of signal propagation in circuit.

Keywords： energy conservation； CMOS circuit； adiabatic stepwise charging； propagation delay

0 引 言

随着电子技术进入“功耗限制”时代，一种基于CMOS电路的绝热式充电技术被用来研究功率损耗的问题[1]。对于一般的CMOS电路而言，电路中的电容在充电过程中会消耗巨大的能量。例如一个电容C在恒定电压源VDD下充电，那么这个电容能够储存的静态电能为[CV2DD2]，同时该电路中电阻上的功率损耗也是[CV2DD2]，这时就可通过改变电源电压来降低功耗。然而在绝热式充电电路中，电容C通过充电过程储存静态电能时电路中的电阻不会消耗任何能量，这就是绝热式充电电路的优点。随着集成电路的发展趋于密集型，绝热式充电技术的使用越来越广泛。

为了更加有效地降低电路中的功耗，一种有别于以前的绝热式充电技术被提了出来。在以往的绝热式电路中，其支路上的电容必须比负载电容大得多，这是因为电容器必须是以恒定电压进行充电或者放电过程，因此电路中动态损耗就会增加。该绝热式充电技术结合了渐次充电电压产生电路，通过利用平衡电容器来达到平衡节点电压的目的。为了达到这个目的，有必要在改变电容器两端初始电压之前去检测绝热式渐次充电电路的稳定性。

1 功率损耗分析和变化电压节能法

在CMOS电路中的功率损耗主要包括动态能量损耗，静态能量损耗和短路电流损耗等，这些功耗在CMOS电路中的分布如图1所示[2]。

在实际生产工作中，有许多方法可以解决电路中的高功耗问题，通过调节电路中的电源电压是最为普遍的方法，因为这种方法在降低功耗方面也是最简单方便的。通过改变电路中的供电电压VDD来降低功耗是可行的，因为当电源电压下降VDD时，负载电容节点处在充放电的时候损耗的能量会降低。但是有时降低电源电压的方法却不能起到降低功耗的作用，相反随着电源电压VDD不断下降，导致CMOS器件的泄漏电流呈指数增长，信号传播时延也会增加，最终也会导致电路中的总功耗急剧的升高。

2 绝热式渐次充电技术

为了满足严格地降低电路功耗的要求以及要使之适用于各种场合，因此绝热式渐次充电技术应运而生。这个电路中支路上的电容与负载电容的電容量相近，这就会使CMOS电路中的动态损耗在一定程度降低。同时，该电路中的电压振幅并没有被降低，从而使电路中的所有器件都能够正常的运行。因为具有上述优点，绝热式渐次充电技术能得以应用，且较多地应用在供电电压不可商量的连接上。例如：CMOS部分的接口供电电压一般为3.3 V或者5 V，驱动CCD和LCD器件所需要的电压达到12 V，控制MEMS传感器和执行器的所需要的电压高达数百伏，因此该技术能够在实际中广泛应用[4]。

CMOS电路中的渐次充电电压产生器示意图如图2所示，它是由若干个开关、直流电源以及两端电压在0～VDD之间单调性变化的负载电容CL连接而成的。

通常来说，在运用了渐次充电技术的CMOS电路中，其功耗的大小和电路中开关的数量有关，具体电路如图3所示。假设现在有电容CT，它比负载电容CL要小很多，并且电路中的每个开关都能够闭合足够多的时间去完成充电过程。这样电路中的槽电压在经过一定时间就会自动地上升到理论的电压值。也就是说，渐次充电技术是通过应用一種数字控制信号将输出转换到理想的数值[5]。当然渐次充电技术也有它的局限性，因为这个电路中的MOSFET其实就相当于一个开关，这个开关在使用时会有一定的限制，那就是MOSFET导通必须满足其输入电压要大于它的阈值电压[6]。

3 仿真验证

通过在绝热式渐次充电电路进行实验操作和Matlab仿真，得到了相应的仿真结果图。为了准确地验证相关结论和技术的准确性和创新性，在这里设立渐次充电支路中的开关个数为5个，负载电容CL为10 μF，其他的电容为0.1 μF，电源电压VDD为2 V，其具体的实验电路如图4所示。

假如该电路中所有的MOSFET都是导通的，并且电路中的元器件也正常运行，那么负载电容在充电过程中的两端最高电压是2 V。图5是负载电容CL两端。电压随时间变化的趋势图。因为渐次充电电路支路中的开关的个数是5个，所以负载电容CL两端电压的上升阶段就可以分为5个阶段，故该负载电容两端电压的上升趋势满足了渐次式充电的相关特性，即电压逐步上升的特性[7]。通过观察会发现每个阶段电压的增加量几乎是相等的，并且每一阶段经历的时间也是相等的。伴随着负载电容充电时间的不断延长，电容的充电过程也更加迅速[8]。通过分析可以得到的结论是当电路中的开关全部处于闭合状态时，负载电容CL两端的电压Uc是呈阶梯式渐次上升的。因此可以知道如果把电路中支路上的开关依次关掉，那么负载电容CL两端的电压必然会从2 V逐步降到0 。

上述仿真图中列出的是电源电压分别为0.4 V，0.8 V，1.2 V，1.6 V，2.0 V时电路总的功耗以及电路中信号传播时延的变化情况。从该图中可以看出随着电压的逐渐上升，电路中总功耗就会不断的增加，但是电源电压处于0.4 V处的功耗却比处于0.8 V处的功耗更大，这是因为当CMOS电路中电压低时会导致电路中的泄漏电流急剧的增加，这样就会导致静态损耗升高，继而使电路中的总功耗变大，因此在CMOS电路中一定要避免电源电压过低。同时，在变化电压降低功耗的方法中，随着电压的逐步升高，电路中的信号传播时延也会不断降低，从而使电路中信号传播也更快一些。表1是利用变化电压的方法在不同电压下所对应的电路总功耗以及信号传播时延。

从图7可以看出，其功耗和传播时延随电压变化趋势和变化电源电压方法得到的仿真图走势有些相似，只是利用绝热式渐次充电技术时电路中的总功耗会更低一些，并且该电路中的信号传播时延和变化电压得到的信号传播时延也不相同。表2是利用绝热式渐次充电的方法在不同供电电压下所对应的电路总功耗以及信号传播时延。实际上这个电路中主要的功耗是集中在负载电容CL上，而其他支路上的损耗是可以忽略不计的。通过相关图表对比可知，在相同供电电压下，使用渐次充电技术时电路总的功耗相较一般的CMOS电路的总功耗有大幅度的下降，并且电路中信号传播时延也在一定程度上降低。因为在该实验电路的渐次充电电路上有5个开关，根据相关公式和仿真图可以知道该电路的理论总功耗与实验仿真得出的电路总功耗是很相近的，这也很好地验证了绝热式渐次充电技术的优势和特点。除此以外利用绝热式渐次充电驱动器的另一个优势是可以让接入该电路中的元器件以更低的工作频率运行，这样就可以使该电路中的元器件在工作时的功耗更低，从而达到节能的目的。

4 结 论

通过相关的实验数据和仿真结果图可以看出，绝热式渐次充电技术在降低电路中的功耗以及提高电路中信号的传播速度有着不错的效果，与变化电压降低功耗方法比较，它有着巨大的优势。因此在集成电路发展日趋密集化的背景下，绝热式渐次充电技术有巨大的发挥空间，必然能在一定程度上解决CMOS电路中出现的功耗问题。

参考文献

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