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使用创新性逻辑技术降低移动设计功耗

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当前的移动设计努力在高耗能(power-rich)的功能性和更长电池寿命的需求之间取得平衡。本文将探讨在混合电压供电的移动设计中,混合电压电平如何提高ICC电源电流及逻辑门如何降低功耗。
低ICCT技术有利于节能
目前,大多数便携设备都备有多个电源轨,但在输入高电平(VIH)低于电源电压(VCC)时,仍可能产生不定功耗。当输入电压为电源轨电平(VIL = Gnd 或 VIH = VCC)时,CMOS一般具有极低的静态ICC和泄漏电流,故是移动应用中逻辑器件的首选技术。不过,若VIH VCC,会发生这种情况:输入级的PMOS和NMOS晶体管可能均在不同级“导通”,此时传导电流,在这个状态期间,静态电流ICC增加,存在一条从VCC到Gnd的路径。这个增加的电流被称为ICCT电流,亦是输入电压逼近阈值时的电源电流。图1描述了这种情况。
图1 逻辑门和输入电压条件
使用创新性逻辑技术降低移动设计功耗
注释:*输入电压等于电源电压Vcc时为使用CMOS门电路的理想状态;这时ICC电流极低。
*在混合电压情况下,若Vin VCC,ICCT电流出现,功耗也随之产生。
一般在CMOS门电路的设计中,输入电压阈值或输入切换点为VCC/2;不过,飞兆半导体的低ICCT门电路采用专有的输入电压设计,可降低输入阈值电压,增大输入电压范围,同时不影响有效逻辑低电平VIL。如前所述,当输入电压为0V或VCC时,CMOS门电路的耗电量极低,而产品数据手册通常会注明该条件下的ICC。因此,系统设计人员在VIH值小于VCC时看到ICC电流增大可能颇为惊讶。图2显示了一个重新设计的输入结构的优点。
VIN - ICC图比较了一个标准CMOS输入器件(红色线条)和一个低ICCT输入器件(蓝色线条)。静态功率由基本DC功率公式决定:P = ICC * VCC。在本例中,输入VIH为2.5V,标准CMOS门电路输入的功耗等于3.0mW (3.6V x 0.83mA) ,而低ICCT门电路的功耗只有0.003mW (3.6V x 0.99uA);也就是说,利用Low ICCT器件,静态功耗降低了100%。
图2 ICC -VIN输入曲线 (Vcc = 3.6V, VIN = 2.5V)
使用创新性逻辑技术降低移动设计功耗
ICC电流的增大十分重要,因为它会大幅度增加器件的静态功耗。飞兆半导体的专有低ICCT输入结构可在ICCT电流出现期间限制其范围,如图2所示。
表1 不同VIH条件下的节能潜力
ICCT 电流
VCC
VIN
标准 CMOS 门电路
低ICCT 门电路
节能
3.6
3.6
5.1 nA
1.5 nA
70%
3.6
2.5
830 uA
996 pA
100%
3.6
1.8
7.0 mA
2.7 uA
100%
3.6
1.5
2.8 mA
3.5 uA
100%
2.5
2.5
1.2 nA
983 pA
23%
2.5
1.8
21.4 uA
39.2nA
100%
2.5
1.5
417 uA
577 nA
100%
1.8
1.8
835 pA
656 pA
21%
1.8
1.5
2.6 nA
713 pA
73%
1.8
1.2
2.6 uA
4.6 nA
100%
表1比较了不同VCC/VIN条件下的ICCT电源电流级。从表中可看出,飞兆半导体的低ICCT门电路具有很大的节能潜力。在混合电压系统中,利用低ICCT门电路,与逻辑门电路相关的功耗可降至微不足道。
请参考表2列出的低ICCT门电路供货情况。根据需要可以提供额外的功能。当现有应用因前面讨论的输入条件而出现功耗过大时,用户可利用标准引脚输出,直接简便地进行替换。
表2 飞兆半导体的NC7SVL 低ICCT门电路
门电路功能
产品编号
封装
供货
逆变器
NC7SVL04L6X
MicroPak
现货
NC7SVL04FHX
MicroPak 2
NC7SVL04P5X
SC-70
AND(与门)
NC7SVL08L6X
MicroPak
NC7SVL08FHX
MicroPak 2
NC7SVL08P5X
SC-70
OR(或门)
NC7SVL32L6X
MicroPak
NC7SVL32FHX
MicroPak 2
NC7SVL32P5X
SC-70
总结
延长电池寿命的要诀是降低各级的功率。随着便携设备整合更多的功能,功耗问题越来越令人担忧。飞兆半导体的NC7SVL低ICCT TinyLogic产品为解决这些难题提供了一个具成本效益的解决方案。此外,飞兆半导体先进的小尺寸MicroPak封装技术,以及新推出的更小的1.0x1.0mm MicroPak 2封装技术,可显著降低线路板空间要求。
对于功率预算十分紧张的便携应用产品来说,耗电量的增加是不能接受的。NC7SVL低 ICCT门电路能够帮助系统设计人员在将功率保持在预算之内,并延长电池寿命。

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