控制金屬氧化物半導體單元的功耗的方法和設備的製作方法

2023-07-14 23:50:26

專利名稱：控制金屬氧化物半導體單元的功耗的方法和設備的製作方法
控制金屬氧化物半導體單元的功耗的方法和設備技術領域
本發明的實施方式總體上涉及半導體技術領域，並且更具體地，涉及控制金屬氧化物半導體單元的功耗的方法和設備。
背景技術：
由於基於金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor,M0S)的器件在開關速度、功耗以及成本效益等方面的優勢，其已經被廣泛地應用於各種數字電路和模擬電路。目前，常見的一類MOS器件是金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。當MOSFET被導通時它允許電流通過，而當MOSFET被關斷時它對電流具有截止作用。MOSFET或者由多個MOSFET 構成的MOS單元可以在電路中充當開關、調壓電壓、調節電流以及被用於其他各種目的。
按照溝道特性、電壓幅值等方面，MOSFET可被劃分為多種不同的類型。一般地，各類MOSFET都包括柵極(G極)、源極(S極)和漏極(D極)。通過對MOSFET的柵極施加電壓，可以驅動MOSFET的導通與關斷。在驅動MOSFET的過程中通常存在功率損耗(或稱「功耗」)。
一般而言，與MOSFET相關聯的功耗包括以下三個部分(I)驅動功耗，它是對 MOSFET的柵電容進行充電和放電所引起的功耗，主要與MOSFET的柵極電荷(Qg)、驅動電壓 (Vdd)以及開關頻率(fsw)等因素有關；(2)開關功耗，它是MOSFET在被導通或關斷的過程期間發生的損耗，主要與MOSFET的輸入電壓(Vin)、導通時間(TJ、關斷時間(T。^)、負載電流(I。)和開關頻率(fsw)等因素有關；以及(3)導通功耗，它是指在MOSFET被導通的情況下由流經MOSFET的穩態電流消耗引起的功耗，主要與MOSFET的導通阻抗(RDS(on))有關。
當MOS單元所在的主設備處於開機運行狀態時，MOS單元相應地處於重負載狀態。 此時，開關功耗和導通功耗將構成MOS單元功耗的主要部分。因此為了儘量降低開關功耗和導通功耗從而提高MOS單元的工作性能，在現有技術中，通常儘可能地降低MOS單元(或構成該單元的MOS器件)的導通阻抗。例如，常見的方式是增加MOS單元中並聯連接的MOS 器件的數目，以降低MOS單元的總導通阻抗。
然而，可以理解，導通阻抗的降低將導致MOS單元的柵極電容增加，這將轉而引起 MOS單元的驅動功耗的增加。例如，當並聯的MOS器件增加時，MOS單元的總體柵極面積將會增加，從而使柵極電荷增大。此時，MOS單元的驅動功耗增大。MOS單元驅動功耗的增加對於輕負載狀態而言是不利的。這是因為在輕負載狀態下，MOS單元的功耗將主要歸因於驅動功耗而不再是開關功耗和導通功耗，這將在下文進行詳細分析。因此，為了確保重負載的工作性能而降低MOS單元的導通阻抗將不利於輕負載狀態的節能。
而且，很多設備(例如，電視機、空調，等等)可能在較長的時間內保持待機或者低功耗運行狀態，使得相應的MOS單元也長時間處於輕負載狀態。在這種情況下，如何使MOS 單元在重負載和輕負載狀態下的功耗都保持在較低水平的問題更為突出。發明內容
鑑於現有技術中存在的上述問題，需要一種在保證MOS單元的重負載性能的同時，有效地降低MOS器件在輕負載狀態下的功耗的解決方案。為此，本發明的實施方式提供一種用於控制MOS單兀的功耗的方法和設備。
本發明的核心思想在於根據MOS單元所處的負載狀態動態地調節MOS單元的驅動功耗。這樣，通過操縱驅動功耗，可以有效地降低重負載狀態和輕負載狀態二者的總功耗。
在本發明的一個方面，提供一種用於管理金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的方法。該方法包括確定所述MOS單元的負載狀態；以及根據所確定的負載狀態而配置所述 MOS單元，以調節所述MOS單元的驅動功耗一種用於管理金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的方法。
在本發明的另一方面，提供一種用於控制金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的設備。該設備包括負載確定裝置，配置用於確定所述MOS單元的負載狀態；以及功耗控制裝置，配置用於根據所確定的負載狀態配置所述MOS單元以調節所述MOS單元的驅動功耗。
根據本發明的實施方式，可以根據MOS單元的負載狀況而動態地調節控制其驅動功耗。發明人的研究表明，當MOS單元的負載狀態變化時，驅動功耗在MOS單元的總功耗中比例顯著變化。由此，根據本發明的實施方式，當MOS單元處於輕負載狀態時，動態修改 MOS單元的設置以儘量降低主導性的驅動功耗。另一方面，當MOS單元處於重負載狀態時， 使MOS單元保持或恢復默認設置，從而犧牲部分驅動功耗而儘量降低主要性的導通功耗和開關功耗。
通過根據負載狀態而動態地、自適應地調節MOS單元的驅動功耗，可以在確保重負載狀態的性能的同時，有效地降低MOS單元在輕負載狀態下的功耗。以此方式，可以獲得更好的總體節能效果，並且保證對已有MOS單元和器件的修改和影響儘可能小。


通過參考附圖閱讀下文的詳細描述，本發明實施方式的上述以及其他目的、特徵和優點將變得易於理解。在附圖中，以示例性而非限制性的方式示出了本發明的若干可行實施方式，其中
圖I是示出根據本發明實施方式的用於控制MOS單元的功耗的方法100的流程圖2是示出根據本發明的可選實施方式的用於控制MOS單元的功耗的方法200的流程圖3是示出根據本發明實施方式的用於控制MOS單元的功耗的設備的示意性框圖4是示出根據本發明實施方式的用於實現圖3所示的功率管理設備的系統晶片 (SOC)的框圖5A和圖5B是示出本發明的實施方式可應用於其中的示例性電路的框圖；以及
圖6是示出根據本發明的實施方式的實驗效果的圖表。
在附圖中，相同或對應的標號被用以表不相同或對應的兀件。
具體實施方式
下面參考附圖詳細描述本發明的實施方式。在下文描述中，術語「M0S器件」是指以金屬氧化物半導體(MOS)為主要材質構成的目前已知和將來開發的任何電路器件。在下文的某些描述中將參考MOSFET作為MOS器件的示例，但是這僅僅是出於描述和示例目的， 而不是排他性的。可以理解，目前已知或將來開發的任何適當的MOS器件均落入本發明的範圍之內。
此外，術語「M0S單元」是指通過耦合或連接在一起的MOS器件構成的電路單元。 例如，常見的MOS單元由多個並聯連接的MOS器件(例如，M0SFET)構成，例如降壓式變換 (BUCK)電路中的主控MOS單元和續流MOS單元。當然，取決於具體應用和需求，MOS單元中的MOS器件也可串聯或混聯。
另外，術語「重負載狀態」是指MOS單元的負載電流大於預定義閾值的負載狀態。 例如，當MOS單元所在的主設備處於加電運行狀態時，MOS單元通常處於重負載狀態。與之相對，術語「輕負載狀態」是指MOS單元的負載電流小於預定義閾值的負載狀態。例如，當主設備處於低功率運轉(例如，待機)時，MOS單元通常處於輕負載狀態。
〈M0S單元功耗分析>
如上文概述的，MOS單元的功耗大體上可以分為三部分，即驅動功耗、開關功耗和導通功耗。發明人的研究表明當MOS單元處於重負載狀態時，開關損耗和導通損耗在MOS 單元的總功耗中是主導性的；而當MOS單元處於輕負載狀態時，驅動損耗在MOS單元的總功耗中是決定性的。為進一步驗證這一結論，發明人在具有主控MOS單元和續流MOS單元的 BUCK電路中進行了定量實驗。
參考下面示出的表I，在發明人的實驗中，主控MOS單元由多個並聯連接的MOSFET 構成，其導通阻抗為30πιΩ，柵極電荷為5nC。續流MOS單元同樣由多個並聯的MOSFET構成， 其導通阻抗為ΙΟπιΩ，柵極電荷為15nC。通過表I可以看到，在重負載的情況下(負載電流為10A)，驅動功耗佔主控MOS單元和續流MOS單元的總功耗的3.6%。然而，隨著MOS單元負載的降低，驅動功耗在總功耗中所佔的比例逐漸增大。當負載電流減小到O. IA時,驅動功耗卻佔據總功耗的89. 2%。
權利要求
1.一種用於控制金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的方法，包括確定所述MOS單元的負載狀態；以及根據所確定的負載狀態而配置所述MOS單元，以調節所述MOS單元的驅動功耗。
2.根據權利要求I所述的方法，其中根據所確定的負載狀態配置所述MOS單元包括響應於確定所述MOS單元處於輕負載狀態，配置所述MOS單元以降低所述驅動功耗。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述MOS單元包括並聯連接的多個MOS器件，並且其中配置所述MOS單元以降低所述驅動功耗包括屏蔽所述多個MOS器件中的一個或多個MOS器件。
4.根據權利要求3所述的方法，其中屏蔽所述多個MOS器件中的一個或多個MOS器件包括禁用所述一個或多個MOS器件的驅動電壓。
5.根據權利要求2所述的方法，其中配置所述MOS單元以降低所述驅動功耗包括降低所述MOS單元的驅動電壓。
6.根據權利要求3所述的方法，還包括響應於確定所述MOS單元轉變為重負載狀態，解除對所述一個或多個MOS器件的屏蔽。
7.根據權利要求5所述的方法，還包括響應於確定所述MOS單元轉變為重負載狀態，將所述MOS單元的所述驅動電壓恢復到正常水平。
8.根據權利要求I所述的方法，其中所述MOS單元的負載狀態基於以下至少一個來確定與所述MOS單元關聯的主設備的運行狀態，以及對所述MOS單元的電學參數的測量。
9.根據權利要求1-8任一項所述的方法，其中所述MOS器件是金屬氧化物半導體場效應電晶體MOSFET。
10.一種用於控制金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的設備，包括負載確定裝置，配置用於確定所述MOS單元的負載狀態；以及功耗控制裝置，配置用於根據所確定的負載狀態配置所述MOS單元，以調節所述MOS單元的驅動功耗。
11.根據權利要求10所述的設備，其中所述功耗控制裝置包括驅動功耗降低裝置，配置用於響應於確定所述MOS單元處於輕負載狀態而配置所述MOS單元以降低所述驅動功耗。
12.根據權利要求11所述的設備，其中所述MOS單元包括並聯連接的多個MOS器件，並且其中所述驅動功耗降低裝置包括屏蔽裝置，配置用於屏蔽所述多個MOS器件中的一個或多個MOS器件。
13.根據權利要求12所述的設備，其中所述屏蔽裝置包括配置用于禁用所述一個或多個MOS器件的驅動電壓的裝置。
14.根據權利要求11所述的設備，其中所述驅動功耗降低裝置包括驅動電壓降低裝置，配置用於降低所述MOS單元的驅動電壓。
15.根據權利要求12所述的設備，其中所述驅動功耗降低裝置包括解除屏蔽裝置，配置用於響應於確定所述MOS單元轉變為重負載狀態而解除對所述一個或多個MOS器件的屏蔽。
16.根據權利要求14所述的設備，其中所述驅動功耗降低裝置包括 驅動電壓恢復裝置，響應於確定所述MOS單元轉變為重負載狀態而將所述MOS單元的所述驅動電壓恢復到正常水平。
17.根據權利要求10所述的設備，其中所述負載確定裝置配置用於基於以下至少一個來確定所述MOS單元的負載狀態與所述MOS單元關聯的主設備的運行狀態，以及對所述MOS單元的電學參數的測量。
18.根據權利要求10-17任一項所述的設備，其中所述MOS器件是金屬氧化物半導體場效應電晶體MOSFET。
19.一種集成電路1C，包含根據權利要求10-18任一項所述的用於管理金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的設備。
20.—種系統晶片S0C，包含根據權利要求10-18任一項所述的用於管理金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的設備。
全文摘要
本發明的實施方式涉及控制金屬氧化物半導體單元的功耗的方法和設備。具體地，公開了一種用於管理金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的方法。該方法包括確定所述MOS單元的負載狀態；以及根據所確定的負載狀態而配置所述MOS單元，以調節所述MOS單元的驅動功耗一種用於管理金屬氧化物半導體MOS單元的功耗的方法。還公開了相應的設備。根據本發明的實施方式，可以有效地降低模擬或數字電路中MOS單元的功耗。
文檔編號H03K17/687GK102931961SQ20111023047
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者歐陽茜 申請人:成都芯源系統有限公司