GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT

GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Năng lượng công suất • Bộ cấp điện cho mạch điện tử, IC có xu hướng ngày nhỏ thật nhỏ • Muốn IC ngày thiết kế theo yêu cầu tiêu thụ công suất thật thấp VS • Xét lượng tiêu tán cổng MOSFET: RL • C : điện dung dây nối • CGS điện dung cổng tầng sau + Chúng ta xét: - công suất lúc chờ (standby) vo C + • - công suất lúc sừ dụng vI - - • Trước hết xét vài thí dụ liên quan lượng công suất I Năng lượng công suất số linh kiện Đònh luật Joule • Điện trở V V2 P  RI  VI  W  R E  PT  VIT (J ) + R - V - Vs Vs • MOSFET + I RL RL Vo L H vI vo vI RON VS2 P RL  RON P 0 Mạch RC đơn giản: Dạng sóng • Tính lượng tiêu tán + chu kỳ vI • Tính công suất trung bình - S1 RR1 a S2 + RR2 C vo - b vo S1 đóng S1 mỏ S2 mở S2 đóng T1 T2 t T T1: S1 đóng, S2 mở • Giả sử vc = t = Vc i Vs Vs/R1 R1 + Vs - C + vc - VS t  e R1 t t Năng lượng tổng cộng tạo nguồn suốt thời gian T1: Vs2 t R1C E1  � Vs idt  � e dt 0 R T1 T1 Vs2  R1Ce t R1C R1 CVS2 R1 với E1  CVs2 T1  CVS2   e t R1C   CVS2 T1 ? R1C Nếu ta chờ thời gian đủ l lượng tích trử C độc lập lượng tiêu tán R T2: S2 đóng, S1 mở • Trò ban đầu vC = VS ( T1>>R1C) + Ban đầu lượng tích trử C vc = ẵ (CVS2) C R2 - Giaỷ sửỷ T2 >>R2C Tụ điện xã điện thời gian T2 Năng lượng tiêu tán R2 suốt thời gian T2 E2  CVS2 E1, E2 độc lập với R2 • Năng lượng tổng cộng chu kỳ T (Giả sử C xã 1 nạp hoàn E toaøn) E1  E2  CVS2  CVS2  CV S Năng lượng tiêu tán thời gian nạp va • Công suất trung CV E bình S P  T T  CVs2 f Tần số f = 1/T Công suất trung bình mạch RC Năng lượng tiêu tán thời khoảng T 1: R Vs RTH =RI//RON + K C + C VTH RON =VsRON/(RL+RON] - p(t) = PR1 + PR2 p t VS  vC    R1  VTH = VSRON / (RON+R) = VSR2/(R1+R2) vC2  R2 � VS  vTH  e �  R1  t  RTH C   2 t RTH C � � � VTH   e � � � R2 • Tích phân cho lượng tiêu tán:   2� �� t  RTH C  � t RTH C � �� VTH   e � t T1 �VS  vTH  e � � � w1  � �  �dt t 0 R1 R2 � � � • Giaûi cho: VTH2 w1  R2 � RTH C  t t e � � RTH C  RTH Ce t RTH C �T1 � �0 T1 � t RTH C � RTH C  t RTH C  � e   VS  VTH  VTH RTH Ce  V  VTH  t  VTH � R1 � �0 VTH2  R2 � RTH  2T1 T1  e � � RTH C  RTH Ce T1 RTH C  � 2 RTH  2T1 V  V T  V e  S TH  TH � R1 �  � RTH C �  V  V  V V R C   TH S TH TH TH � R1 � � � RTH C � VTH  � � R2 � RTH C �   R C TH � � � �   VS  VTH  VTH RTH Ce T1 RTH C � � � • Tách riêng số hạng chứa T1, cho: VS2T1 VTH2 � RTH C  2T1 RTH C T1 RTH C � w1    e  R Ce TH � R1  R2 � � � VTH2  � RTH C �   R C TH � � � � � RTH C  2T1 RTH C �  � VTH e   VS  VTH  VTH RTH Ce T1 RTH C � R1 � �  � RTH C �  V  V  V V R C   TH S TH TH TH � R1 � � � • Sắp xếp lại đơn giản, : VS2T1 CVTH2 w1    e  2T1  R1  R2 RTH C  Khi T1 >>RTHC, tụ điện nạp đến tri số trạng thái dừng VTH, e-2T1/RTHC 0, w1 đơn giản đến: VS2 VTH2 C w1  T1  R1  R2 (I ) • Năng lượng tiêu tán thời khoảng T 2: • Ta có mạch điện tương đương: • Tụ điện xã điện từ trò ban đầu VTH, cho: vC  VTH e vc t R2C R2 C • Công suất tiêu tán tức thời R2: vC2 p t    VTH e t R2C  R2 R2 • Năng lượng tiêu thụ tương ứng: w2  �p  t  dt  �  VTH e t 0 R T2 T2 1  VTH R2Ce  2T2 R2 • Khi T2 >> R2C, ta • V2 C w2  TH R2 C T2 R2C  dt VTH C   e  2T2  R2 C  ( II ) 10 • Năng lượng tiêu tán tổng cộng: • (I) (II) cho: � VS2 VTH2 C � VTH2 C w  w1  w2  � T1  � R  R �1 � VS2  T1  VTH2 C R1  R2 • Công suất trung bình cho bởi: VS2 T1 VTH2 C w P   T R1  R2 T T • Do T1 = T/2, nên: • Gọi: VS2 w VTH2 C P   T  R1  R2  T Pstatic VS2   R1  R2  Pdynamic VTH2 C  T * Hết phần chứng minh 11 II Công suất cổng logic • Ta xét mạch INVERTER có xung vuông tác động ngõ vào theo h sau: VS RL • vI + T/2 T/2 T + vI t - CL vo - Công suất tiêu tán trung bình: w1  w2 p T 12 • • Năng lượng tiêu tán thời gian T1 Khi ngõ va lên mức cao, MOSFET dẫn ta có mạch tương đương: VS RTH =RL//RON RL RL ic + vI - • RON + CL vo Vs + CL K RON + VTH CL - =VsRON/(RL+RON] - Điện vC chuyển từ thấp leân cao: vC  VTH   VS  VTH  e t RTH CL • • • Tươing tự đoạn trước T1 >> RTHCL, ta w1 : VS2 VS2 RL2CL w1  T1  RL  RON  RL  RON  13 • Năng lượng tiêu tán thời khoảng T 2: • Khi điện áp ngõ vào xuống thấp, MOSFET ngưng dẫn, tụ nạp cho: VS RL ic RL + + CL vo - - vC  VTH   VS  VTH    e t • • CL - ic + vI Vs RL CL  Ta dẫn suất 2biểu thức w2 T2 >> RLCL: w2  VS RL  RL  RON  14 • Năng lượng tiêu tán tổng coäng: VS2 VS2 RL2CL VS2 RL2 w  w1  w2  w1  T1   w2  2 RL  RON  RL  RON   RL  RON  VS2 VS2 RL2CL  T1  RL  RON  RL  RON  • Công suất trung bình: VS2 VS2 RL2CL w T1 P   T RL  RON T  RL  RON  T VS2 VS2 RL2CL    RL  RON   RL  RON  T • Công suất trung bình tổng thành phần công suất tónh thánh phần công suất động 15 • Với: Pstatic VS2   RL  RON  Pdynamic   VS2 RL2CL RL  RON  T   VS2 RL2CL f RL  RON  • 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 cung cấp • Khi tốc độ xung clock chip VLSI cao, xét công suất nguyên nhân hãng sản xuất tiếp tục giảm điện cung cấp: Vs = V chuẩn năm 80 (thế kỹ trước), V vào năm 90 1,5 V thay sau naêm 2000 VS2  RL  RON  • Ta xét tỉ số:  RL  RON  T Pstatic Pdynamic  S L V R CL  RL  RON  T  RL RL CL • Vì hoạt động thông thường cổng số có T>>R LCL, thấy Pstatic >> Pdynamic Do đó, trở nên thiết để làm giảm công suất tónh(static) • 16 • Thí dụ1: • Cho mạch logic theo hình sau, với VS = 5V,  RL = 100k , RON = 10k , CL = 0,01 pF, f = 10 MHz Tính công suất tónh công suất động trường hợp xấu VS • Công suất tónh:  RL Re  RL  RON RON RON     100  2.10 10 10  104k  Pstatic A VS2 25    0, 24mW  240W Reff 104 C B • Công suất tiêu tán động: 2 VS RL CL f VS2 RL2CL f Pdynamic    RL  RONpd  RL  2RON RON RON   52  100.103   2,3W   0, 01.10   10.10   100.10  4.10  12 3 D  Pstatic = 10Pdynamic 17 • Thí dụ 2: Cho mạch Inverter thúc tải CL, Với VS = 1,5V, CL = 10 fF, RL >> RON, +V Vs 1,5V RL 100k RLCL = 1ns < T/2 , f = 100 MHz • Công suất tónh: Pstatic  •  1,5  22,5W , V  RL 100.103 S  RL  RON  + 10fF vI - Pstatic  11, 25W Công suất tiêu tán động: Pstatic  Pdynamic  • C CLVS2 RL2 f  RL  RON   CLVS2 f  1,125W P  Pstatic  Pdynamic  12,375W Công suất tónh thành phần ưu công suất thất thoát • 18 • Ta có: VS2 P  CVS2 f RL Mod chờ(tónh) độc lập với f MOSFET ON • phân thời gian Khi RL >>RON Mod động liên hệ với tụ điện chuyển mạch (f 0, Pdynamic = 0) • Thí du ï: Cho chip có 106 cổng có đồng hồ 100MHz Có C = fF, RL = 10 k , f = 100.106, Vs = V  • • � 25 � P  106 �  1015  25   100   106  � 2.10 � �  10 2,5giảm V  Vs từ 5V  1V,  1, 25mW lớn, lớn, phải khử mW • 2,5W 150  1,5kW  2,5W 19 III Công suất tiêu tán CMOS • Do CMOS hoạt động với dòng ró nhỏ, nên xem công suát tiêu tán tónh không Vsđáng kể • Trong bán kỳ đầu, tụ tải CL xã điện, thời T/2 khoảng bán kỳ sau, tụ nạp PFET lên nguồn cung cấp Vs vI vo • Vì dòng tónh động không chảy đồng thời linh kiện T NFET CL CMOS, tính công suất trung bình động tiêu tán phương pháp đơn giản  Trong thời khoảng bán kỳ tín hiệu vào thấp, lượng điện tích QL chuyển từ nguồn cung cấp vào tụ điện Giả sử thời gian chu kỳ tín hiệu vào đủ lớn để tụ điện nạp đến điện cung cấp điện: QL = CL VS 20 • Tiếp đo, thời gian bán kỳ lượng điện tích chuyển tử tụ điện xuống mass Thực tế, điện tích QL chuyển từ công suất nguồn đến mass chu kỳ Môt lượng lượng thất thoát suốt thời gian chuyển cho V SQL • Công suất trung bình cho: V Q V C V Pdynamic  S L T  C LVS2 f  S L S T f tần số tín hiệu vuông • Ta dẫn suất theo cách khác: Công suất tiêu tán động thời gian - trung bình tích số điện cung cấp T dòng điện trung bình  Vs Nói i t dt cho nguồnPcấp cách khác, + Vs dynamic điện   � T RONp Trong bán kỳ mà tín hiệu vào thấp tụ điện i(t) nạp qua điện trở ON PFET C ( h ) vc 21 • Hình sau mô tả vò trí tín hiệu vào cao (bán kỳ đầu) tụ tải xã điện xuống mass qua điện trở NFET RONn • Vì công tắc kéo lên ngưng dẫn vo • bán kỳ đầu (khi tín hiệu vào mức cao) i(t) • Lưu ý công suất cung cấp tạo nên dòng C vc • điện chỏ bán kỳ thứ hai (khi tín RONn • hiệu vào thấp) Do đó, công suất phóng • Thích nguồn cấp điện thời • khoảng T/2  T Do đó, T T dQ  t  Pdynamic  VS �i  t  dt  VS � dt T T T T dt T CL dvo Vs  VS � dt  VS CL �dvo T T dt T  VS CL VS • Ta nhậnTthấy, Cổng đảo CMOS công suất tónh VS2công CL 2suất động 100MHz 1,125   V S CL f • T W 22 • Thí dụ: Công suất Microchip • Trong thí dụ trước ta xét công suất động cổng logic CLVS2f • Trong thí ta xét công suất tiêu tán động Microchip • Microprocessor RAW MIT dùng cho IBM 180 nm, tiến trình kỹ thuật SA7TE có khoảng triệu cổng (giả sử mổi cổng tương đưong cổng NAND - ngõ vào) xung clock 425 MHz Giả sử mổi cổng có tụ điện tải gần 30 nF, nguồn cấp điện 1,5 V Giả sử thêm có xấp xỉ 25% cổng chu kỳ cho • Thay trò số Microprocessor vào công -15 thứ trên, ta0,có động 25x công 3.106 suất x 30.10 x tiêu 1,5 xthụ 425.10 toàn chip là:  21,5W Thừa số bậc x số cổng x C LVs2 f         23 • • Thí dụ khác với C = fF, Vs = 5V, f =100 MHz, 106 gate Cơng suất trung bình: P  CVS2 f  1015    100.106   2,5W / gate P  2,5W  106   2,5W / chip • Ta tóm tắt kết sau: Cổng f P 106 100 MHz ~2,5 W Pentium 2.106 300 MHz ~15W PII? 2.106 600 MHz ~30W PII? 8.106 1,2 GHz ~240W PIII? 25.106 GHz ~1875W PIV? 24 • Để làm giảm công suất: Giảm Vs 5V  3V1,8V  1,5V ~ PIV  170 W  tốt hơn, lớn Tắt xung clock không sử dụng A Thay đổi Vs tuỳ thuộc vào cần thiết Vs • Cổng logic CMOS NAND: Nối tắt A F  A.B  A  B Vs B Z A =0 hoaëc B=0 Hở khác A B Z B Nối tắt A.B đúng, Hở ngược lại 25 ... CMOS công suất tónh VS 2công CL 2suất động 100MHz 1,125   V S CL f • T W 22 • Thí dụ: Công suất Microchip • Trong thí dụ trước ta xét công suất động cổng logic CLVS2f • Trong thí ta xét công suất. .. chờ (standby) vo C + • - công suất lúc sừ dụng vI - - • Trước hết xét vài thí dụ liên quan lượng công suất I Năng lượng công suất số linh kiện Đònh luật Joule • Điện trở V V2 P  RI  VI  W ... 11 II Công suất cổng logic • Ta xét mạch INVERTER có xung vuông tác động ngõ vào theo h sau: VS RL • vI + T/2 T/2 T + vI t - CL vo - Công suất tiêu tán trung bình: w1  w2 p T 12 • • Năng lượng