GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT

• Xét năng lượng tiêu tán trong cổng MOSFET:• C : điện dung dây nối • CGS điện dung của cổng của tầng sau Chúng ta xét: - công suất lúc chờ standby • - công suất lúc sừ dụng • Trước hết

GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Năng lượng và công suất

• Xét năng lượng tiêu tán trong cổng MOSFET:

• C : điện dung dây nối

• CGS điện dung của cổng của tầng sau

Chúng ta xét: - công suất lúc chờ (standby)

• - công suất lúc sừ dụng

• Trước hết chúng ta xét vài thí dụ liên quan về năng lượng và công

VS

RL

C

vI vI

Vs

vo Vo

Vs RL



Mạch RC đơn giản:

Dạng sóng

• Tính năng lượng tiêu tán

trong một chu kỳ

• Tính công suất trung bình

+ R

R1

R2

năng lượng tích trử trong C độc lập với R 1

năng lượng tiêu tán trong R 1

1

t S

V e R

1

0 1

T

t R C t R C s

S S

V

E V idt e dt

R V

R Ce CV e R

Tụ điện xã điện trong thời gian T 2

Năng lượng tiêu tán trong R 2 trong suốt thời gian T 2

E 1 , E 2 độc lập với R 2 .

• Năng lượng tổng cộng trong chu kỳ T (Giả sử C xã và nạp hoàn toàn)

• Công suất trung bình

2 2

2 Công suất trung bình trong mạch RC

Năng lượng tiêu tán trong thời khoảng T 1 :

p(t) = PR1 + PR2

+ -

=VsRON/(RL+RON]

VTH

K +

1 1

2

02

1

2

02

2

1

22

• Tách riêng số hạng chứa T1, cho:

• Sắp xếp lại và đơn giản, được :

Khi T 1 >>R TH C, tụ điện nạp đến tri số trạng thái dừng V TH , và e -2T1/RTHC

0, w 1 đơn giản đến:

1

2

2 2

1

2 1

1

22

1

12

• Năng lượng tiêu tán trong thời khoảng T 2 :

• Ta có mạch điện tương đương:

• Tụ điện xã điện từ trị ban đầu V TH , cho:

• Công suất tiêu tán tức thời trong R 2 :

• Năng lượng tiêu thụ tương ứng:

2 2

0 2

• Năng lượng tiêu tán tổng cộng:

• (I) và (II) cho:

• Công suất trung bình cho bởi:

2

S static

TH dynamic

V P

V C P

II Công suất của cổng logic

• Ta xét mạch INVERTER có xung vuông tác động ngõ vào theo h sau:

-+ vI -

VS

CL RL

• Năng lượng tiêu tán trong thời gian T1

• Điện thế v C chuyển từ thấp lên cao:

• Tươing tự như ở đoạn trước khi T 1 >> R TH C L , ta được w 1 :

• Năng lượng tiêu tán trong thời khoảng T 2:

• Khi điện áp ngõ vào xuống thấp, MOSFET ngưng dẫn, tụ nạp cho:

• Ta có thể dẫn suất biểu thức w 2 khi T 2 >> R L C L :

ic

+ -





• Năng lượng tiêu tán tổng cộng:

• Công suất trung bình:

• Công suất trung bình là tổng của thành phần công suất tĩnh và thánh phần công

• Với:

• Lưu ý: Công suất tiên tán động tỉ lệ với tần số tín hiệu vào chuyển tiếp

• Không ngạc nhiên, chip chất lượng cao có xung clock tần số cao tiêu tán số

nhiều công suất Cũng thế, công suất tỉ lệ với bình phương điện thế cung cấp.

• Khi tốc độ xung clock của chip VLSI cao, xét về công suất là nguyên nhân các

hãng sản xuất tiếp tục giảm điện thế cung cấp: Vs = 5 V là chuẩn những năm

80 (thế kỹ trước), 3 V vào những năm 90 và 1,5 V đều thay thế sau năm 2000.

• Ta xét tỉ số:

• Vì hoạt động thông thường của cổng số có T>>R L C L , chúng ta thấy rằng P static

>> P dynamic Do đó, rất trở nên bức thiết để làm giảm công suất tĩnh(static)

• Thí dụ1:

• Cho mạch logic theo hình sau, với V S = 5V, R L = 100 k , R ON = 10k , C L

= 0,01 pF, f = 10 MHz Tính công suất tĩnh và công suất động trong trường hợp xấu nhất.

e L ON ON ON

S static

eff

R R R R R

k V

• Công suất tiêu tán động:

• Công suất tĩnh vẫn là thành phần ưu thế trong công suất thất thoát.

•

2 2

3

1,5

22,5 ,100.10

11, 252

S

L

static static

V

R P

+V Vs 1,5V RL

100k

C 10fF

• Ta có:

Mod chờ(tĩnh) Mod động

độc lập với f liên hệ với

MOSFET ON tụ điện chuyển

• phân nữa thời gian mạch (f 0, P dynamic = 0)

• Thí du 3 ï: Cho một chip có 10 6 cổng có đồng hồ 100MHz Có C = 1 fF, R L = 10 k , f =

III Công suất tiêu tán trong CMOS

• Do CMOS hoạt động với dòng rĩ rất nhỏ, nên xem công suát tiêu tán

tĩnh không đáng kể

• Trong bán kỳ đầu, tụ tải

C L xã điện, và trong thời T/2

khoảng bán kỳ sau, tụ nạp

lên nguồn cung cấp Vs.

• Vì dòng tĩnh và động không

chảy đồng thời trong linh kiện T

CMOS, chúng ta có thể tính

công suất trung bình động

tiêu tán bằng phương pháp rất đơn giản.

bằng Q L được chuyển từ nguồn cung cấp vào tụ điện Giả sử thời

gian chu kỳ của tín hiệu vào đủ lớn để tụ điện nạp đến điện thế cung cấp điện:

Q L = C L V S

vo

PFET vI

Vs

• Tiếp đo, trong thời gian bán kỳ cùng lượng điện tích chuyển tử tụ điện

xuống mass Thực tế, một điện tích Q L chuyển từ công suất nguồn đến mass trong mỗi chu kỳ Môt lượng năng lượng thất thoát

trong suốt thời gian chuyển đó cho bởi V S Q L

• Công suất trung bình cho:

trong đó f là tần số của tín hiệu vuông.

• Ta cũng có thể dẫn suất theo cách khác:

Công suất tiêu tán động thời gian - trung bình là tích số của điện thế cung cấp và dòng điện trung bình cho bởi nguồn cấp điện Nói cách khác,

Trong bán kỳ mà tín hiệu vào thấp và tụ điện

nạp qua điện trở ON của PFET

( h )

2

S L S L S dynamic

vc C

RONp

• Hình sau đây mô tả vị trí tín hiệu vào ở cao (bán kỳ đầu) và tụ tải xã điện xuống

mass qua điện trở của NFET RONn

• Vì công tắc kéo lên ngưng dẫn trong

• bán kỳ đầu (khi tín hiệu vào ở mức cao)

• Lưu ý công suất cung cấp tạo nên dòng

• điện chỏ trong bán kỳ thứ hai (khi tín

• hiệu vào ở thấp) Do đó, công suất phóng

• Thích bởi nguồn cấp điện chỉ trong thời

RONn

W



• Thí dụ: Công suất của Microchip

• Trong thí dụ trước ta xét công suất động của cổng logic là C L V S2 f

• Trong thí này ta xét công suất tiêu tán động của các Microchip

• Microprocessor RAW của MIT dùng cho IBM 180 nm, tiến trình kỹ

thuật SA7TE có khoảng 3 triệu cổng (giả sử mổi cổng tương đưong cổng NAND - 2 ngõ vào) và xung clock tại 425 MHz Giả sử mổi cổng có tụ điện tải gần bằng 30 nF, và nguồn cấp điện 1,5 V Giả sử thêm có xấp xỉ 25% cổng đang trong chu kỳ đã cho.

• Thay thế các trị số của Microprocessor vào công thứ trên, ta có công

suất động tiêu thụ bởi toàn chip là:

Thừa số bậc x số cổng x C L V s2 f

0, 25x 3.10 x 30.10 1,5 x 425.10 21,5W

x





• Để làm giảm công suất: làm gi m công su t: ảm công suất: ấp điện cho mạch điện tử, nhất là các IC có xu hướng ngày

1 Giảm Vs 5V  3V1,8V  1,5V

~ PIV  170 W  tốt hơn, nhưng còn lớn

2 Tắt xung clock khi không sử dụng

3 Thay đổi Vs tuỳ thuộc vào sự cần thiết

Nối tắt khi A.B đúng, Hở khi ngược lại

.

F  A B   A B