（微电子学与固体电子学专业论文）纯单相能量回收技术的研究.pdf

摘要 在经典的数字电路理论中，静态c m o s 电路的功耗估计公式为p = c 瞄乒因 此，成熟的低功耗设计思想基本都围绕减小& 和厂这三个因素来展开。能量 回收逻辑利用可变电源引导电路节点充放电，摆脱了上述经典功耗公式的限制， 使得消耗在节点状态翻转过程中的能量最小化，并实现对能量的回收。 本文首先论述能量回收思想的提出过程，在查阅大量文献的基础上分析、总 结各种典型的能量回收逻辑并归纳其优缺点，为后来的研究者在选用各种逻辑时 提供科学的依据。然后，针对现有逻辑的不足，提出研究目标实现不需要任 何辅助控制时钟的纯单相能量回收逻辑。 接下来，创新性提出准静态单相能量回收逻辑( q s s e r l ) ，实现了上述研究 目标。q s s e r l 不同于任何以往的能量回收逻辑，真正实现了纯单相功率时钟， 不需要任何额外的辅助控制时钟且具有准静态特性，不仅大大简化了电路设计， 更节省了不少能耗。此外，q s s e r l 还可以达到双相能量回收逻辑所具有的速度。 在h s p i c e 验证中，设计了一个八比特对数超前进位加法器，为了比较，分 别用传统静态c m o s 逻辑，钟控c m o s 绝热逻辑( c a l ，迄今最成功的单相能量回 收逻辑) 和q s s e r l 实现。采用1 2 8 组随机产生的输入测试向量的仿真结果表明 在输入频率为i o m h z 时q s s e r l 加法器的能耗仅仅是静态c m o s 逻辑的4 5 ，而当 输入频率大于2 m h z 时，获得比c a l 更低的能耗。 采用q s s e r l 设计的十级反向器链和两比特的对数超前进位加法器在c h a r t e x l 0 3 5 p mc m o s 工艺下流片。测试结果与仿真结果高度一致，进一步验证了q s s e r l 的可行性。 【关键词】能量回收，绝热逻辑，单相逻辑，低功耗，超大规模集成电路 【中图分类号】t n 4 3 2 i a b s t r a c t i nt h ec o n v e n t i o n a lt h e o r yo fd i g i t a lc i r c u i t s ，p o w e rd i s s i p a t i o no fas t a t i c c m o sc i r c u i tc a i lb ee x p r e s s e da sp = c 嘣矿t h e r e f o r e ，m o s tl o wp o w e rv l s i d e s i g ns c h e m e sl o c a t eo nh o wt or e d u c ec ，a n d f h o w e v e r , e n e r g yr e c o v e r y c i r c u i t s ( e r c ) ，w h i c hu t i l i z ed y n a m i cp o w e rc l o c k st og u i d ec h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n g ，c a ng e tr i do ft h i sl i m i t a t i o n ，m i n i m i z i n gp o w e rc o n s u m p t i o n n l i st h e s i sf i r s tg i v e sa l lo v e r v i e wo ft h ed e v e l o p m e n to fe n e r g yr e c o v e r y t e c h n o l o g y , a n dt h e ns u m m a r i z e sa l le x i s t i n gt y p i c a le r c s ，a n a l y z i n ge a c ho n e s a d v a n t a g e sa n dd r a w b a c k s t h e n ，t oe l i m i n a t et h ed r a w b a c k s w i t ht h ee x i s t i n g e r c s ，ar e s e a r c h i n gg o a l ，t h er e a l i z a t i o no fat r u es i n g l e - p h a s eb a s e de r c w i t h o u ta n ya d d i t i o n a lt i m i n gc o n t r o lc l o c k s ，i sp r o p o s e d i nc h a p t e r4 ，w ep r e s e n tan e wq u a s i - s t a t i cs i n g l e p h a s ee n e r g yr e c o v e r y l o g i cf a m i l y ( q s s e r l ) ，ap e r f e c ts o l u t i o nf o rt r u es i n g l e p h a s eo p e r a t i o n u n l i k ea n yo t h e re x i s t i n ge r c ，q s s e r lu s e ss i n g l es i n u s o i d a ls u p p l y c l o c k w i t h o u ta d d i t i o n a lt i m i n gc o n t r o lv o l t a g e s 1 1 1 i sn o to n l yd r a m a t i c a l l ys i m p l i f i e s t h ec l o c kd e s i g n ，b u ta l s oa v o i d se x t r ae n e r g yd i s s i p a t i o n b e s i d e s ，q s s e r lc a n o p e r a t ea sf a s ta sc o n v e n t i o n a lt w o p h a s ee r cc o u n t e r p a r t s h s p i c es i m u l a t i o nw i t ha n8 b i tl o g a r i t h m i cl o o k a h e a da d d e r ( l l a ) u s i n gs t a t i cc m o s ，c l o c k e dc m o sa d i a b a t i cl o g i c ( c a l ，a ne x i s t i n gt y p i c a l s i n g l e - p h a s ee n e r g yr e c o v e r yl o g i c ) ，a n dq s s e r l ，u n d e r 1 2 8r a n d o m l y g e n e r a t e di n p u tv e c t o r s ，s h o w st h a tt h eq s s e r l a d d e rc o n s u m e so n l y4 5 o f e n e r g ya si ni t ss t a t i cc m o sc o u n t e r p a r ta t 1o m 时za n da c h i e v e sb e t t e re n e r g y e f f i c i e n c yt h a nc a l w h e ni n p u tf r e q u e n c y 钿t 2 m h z o p e r a t i o n so fa10 - s t a g eq s s e r l i n v e r t e rc h a i na n da2 一b i tq s s e r ll l a f a b r i c a t e di nt h ec h a r t e do 3 5 1 x ms t a n d a r dc m o st e c h n o l o g yh a sa l s ob e e n e x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e d k e yw o r d s e n e r g yr e c o v e r y , a d i a b a t i c ，s i n g l e p h a s e ，l o wp o w e r , v l s i 【c l c 】t n 4 3 2 i v 第一章引言 第一章引言 1 1 能量回收技术的研究背景 便携式电子产品的蓬勃发展使得低功耗成为众多v l s i 设计的主题，在经典 的数字电路理论中，静态c m o s 电路的功耗估计公式为p = c 瞄：万其中p 为电路 的动态功耗、f 为等效负载电容、场为电源电压、厂为时钟速率。因此，成熟的 低功耗设计思想基本都围绕着和厂这三个因素来展开，它们或者致力于 减小电路节点的等效负载电容；或者降低电源电压，开发低压工艺、低压器件； 或者利用各种算法降低电路节点的翻转频度；动态电源管理系统在系统空闲时自 动进入低功耗睡眠状态。所有这些技术实际上都在致力于减小反或f p , 而达 到减小静态c m o s 电路动态功耗的目的，它们都逃不出经典功耗估算公式的限制。 能量回收电路的出现打破了这一僵局，它利用变化着的电源引导电路节点进 行充放电，使得消耗在节点状态翻转过程中的能量最小化，摆脱了上述经典功耗 公式的限制，并且在理想情况下，甚至可以使功耗降至零。在已有的学者们公布 的数据中可以看到，同等拓扑结构的电路用能量回收逻辑实现要比用传统静态 c m o s 逻辑实现节省5 0 以上的功耗。 目前为止，已有多种不同结构的能量回收逻辑问世。根据所需要的不同相位 的功率时钟的个数( 在能量回收电路中，电源电压既作为供电来源又作为节点状 态翻转的时钟控制信号，因此被称为功率时钟) ，可将其分为多相能量回收逻辑 和单相能量回收逻辑。典型的多相能量回收逻辑有四相位的动态绝热逻辑 ( a d i a b a t i cd y n a m i cl o g i c ，a d l ) 、效率能量回收逻辑( e f f i c i e n tc h a r g e r e c o v e r yl o g i c ，e c r l ) 和2 n - 2 p 及2 n - 2 n 2 p 能量回收逻辑( 2 n 一2 p ，2 n 一2 n 2 p l o g i c ) ：双相位的2 n - 2 n 2 d 能量回收逻辑( 2 n - 2 n 2 dl o g i c ) 、准静态能量回收逻 辑( q u a s i s t a t i ce n e r g yr e c o v e r yl o g i c ，q s e r l ) 。这些多相能量回收电路比 单相能量回收电路速度更快，但由于其多相相位功率时钟的使用，大大增加了功 率时钟树的设计难度。此外，多相功率时钟的产生电路本身也会产生额外的能量 消耗。而单相能量回收电路虽然速度较慢，但是由于仅需要单个功率时钟，使得 时钟树的设计要简单得多，因此成为近几年来学者们研究的热点。在典型的单相 能量回收逻辑中，比较著名的是传输门绝热逻辑( p a s s t r a n s i s t o ra d i a b a t i c l o g i c ，p a l ) 。这种逻辑在单级电路形式下工作时仅需单相的功率时钟就能引导 节点的充放电。可是在多级电路级联工作时，却需要交叉互补的两相功率时钟来 保证正常工作，详细请参考第3 3 1 节。任何一个复杂一点的电路都不可能只用 一级电路实现，因此，p a l 不能算是真正意义上的“单相”能量回收逻辑。在p a l 纯单相能量回收技术的研究 第一章引言 的基础上，学者们做出了改进，诞生了钟控c m o s 绝热逻辑( c l o c k e dc m o s a d i a b a t i cl o g i c ，c a l ) 。这种逻辑无论是单级电路还是多级电路级联工作都仅 需单相的功率时钟，大大简化了电源时钟线的设计，节省了一定的功耗和面积， 是迄今最为成功的能量回收技术之一，也是唯一真正意义上的单相功率时钟逻 辑。然而，它的多级电路需要额外的交叉互补的双相控制时钟来保证正常工作， 请参考第3 3 2 节，这除了会增加控制时钟树的设计，还会引起额外功耗。此外， c a l 在每个功率时钟周期内都要进行一次能量回收，是动态的，这也会导致输出 节点因翻转太多而增加功耗。因此，c a l 也不是完美的单相能量回收逻辑解决方 案。如何实现具有非动态特性的不需要任何辅助时钟的纯单相功率时钟能量回收 电路，而简化电路、时钟树的设计并进一步降低数字电路的功耗，具有一定现实 意义，符合技术发展潮流。 到目前为止，还没有出现真正意义上的“单相”功率时钟且不需要额外控制 时钟的能量回收逻辑。这种逻辑可以称为纯单相能量回收逻辑，成为研究的目标。 本论文选题的理论意义在于填补国内外关于纯单相能量回收技术的理论空 白，而实际意义在于迎合了当今v l s i 设计低功耗化的趋势，一旦投入使用，将 使得便携式电子产品电池的使用时间大大增加，较大程度上满足消费者的需求。 1 2 论文的主要工作 本文的主要工作，也是撰写的目的，有二：其一、对能量回收技术的发展历 史，以及现有的研究成果进行归纳总结。目前，国内外还未有系统、全面的论述， 本文的总结可以为后来的研究者提供一份详尽的深入浅出的资料，更为研究者在 具体选用各种能量逻辑时提供了科学的依据；其二、针对已有各种逻辑的缺点提 出创新目标，研究能改善这些缺点的“纯单相能量回收逻辑”。在这个研究方向 指导下，提出准静态单相能量回收逻辑q s s e r l ，成为“纯单相能量回收逻辑” 的完美解决方案。本文详细阐述了q s s e r l 工作原理，对其进行h s p i c e 仿真验证， 并与目前最成功的单相能量回收逻辑c a l 做比较，得出了q s s e r l 比c a l 更优秀 的结论。最后对采用q s s e r l 设计的十级反向器链和两比特的对数超前进位加法 器在c h a r t e d0 3 5 p x nc m o st 艺下流片进行进一步验证，给出测试结果。 1 3 论文的组织结构 论文共分为七章。 本章为第一章，引言部分。介绍能量回收逻辑研究的背景，提出能量回收逻 辑的发展趋势、研究目标，并概述本文的主要工作及创新点。 第二章阐述能量回收思想的提出过程。首先从数字电路经典功耗估算公式入 纯单相能量回收技术的研究 2 第一章引言 手，引出电源阶分的概念，即能量回收的雏形思想；然后从电源的两次阶分到n 次阶分直到正式提出可变电源能量回收技术的核心；最后分别从定性和定量 的角度阐述了能量回收技术的基本原理及一般特性。 第三章总结各种典型的能量回收逻辑。阐述它们的基本结构、以及在单级和 多级电路工作时的基本原理，然后归纳其优缺点，并做横向比较。最后，在此基 础上，针对已有逻辑的不足，提出研究目标。 第四章正式提出准静态单相能量回收逻辑q s s e r l 。阐述o s s e r l 单级、多级 电路工作原理，并概括q s s e r l 的优缺点。 第五章为h s p i c e 验证部分。首先，设计一个八级反向器链，分别用静态c m o s 、 四相e c r l 、双相q s e r l 、单相c a l 以及纯单相q s s e r l 实现，给出仿真波形，并 做能耗比较：而后，又设计一个八比特对数超前进位加法器，分别用静态c m o s 、 c a l 以及q s s e r l 实现，给出仿真波形并做比较；最后总结q s s e r l ，得出结论。 第六章为q s s e r l 电路的测试部分。给出在c h a r t e d0 3 5 1 t mc m o s 工艺下流 片的q s s e r l 十级反向器链和两比特对数超前进位加法器的测试结果。 第七章对本文工作进行总结，并展望下一步的研究工作。 纯单相能量回收技术的研究 第二章能量回收技术的提出 第二章能量回收技术的提出 能量回收逻辑与传统静态c m o s 逻辑最大的不同在于使用了可变电源，可变 电源的应用使得能量回收逻辑摆脱了经典功耗估算公式的限制从而使得功耗最 小化。本章从推导经典功耗估算公式入手，得出传统静态c m o s 逻辑遵循的三个 限制条件；进而介绍电源阶分的概念，推导出电源阶分的好处，从而顺理成章地 引出能量回收技术的核心可变电源；然后分别从定性和定量的角度分析了可 变电源对节省功耗做出的贡献，清晰地展示出能量回收逻辑的基本原理；最后在 与传统静态c m o s 逻辑的比较中得出能量回收逻辑的一般性结论。 2 1 经典功耗估算公式 在传统静态c m o s 电路中，功耗分为动态和静态两种。动态功耗主要由电源 对电路节点的充放电过程即节点状态的翻转引起，当电路的系统时钟频率越高 时，节点翻转的频度就越大，从而引起的动态功耗就越大。静态功耗则与电路节 点的状态息息相关，主要由m o s 管的漏电流引起。电路在工作时，动态功耗远远 大于静态功耗，成为决定电路功耗大小的主要因素，因而本文讨论能量回收逻辑 和传统静态c m o s 逻辑的动态功耗。 图2 1 所示为一个静态c m o s 反向器及其在输出节点进行充放电过程时的等 效电路。 图中的开关s g 是为了分别模拟充电和放电周期，当开关接a 端口时，输出 节点充电；当开关接b 端口时，节点放电。为理想的恒定电压源，忌和如分 别代表充、放电时p m o s 管m p i 和n m o s 管m n i 的等效电阻，q 为等效负载电容。 砌胁 c 似 i l 如彬 i ( a ) ( b ) 图2 1 ( a ) 静态c m o s 反向器；( b ) 充放电等效电路。 纯单相能量回收技术的研究 4 第二章能量回收技术的提出 根据电路理论，、站和q 满足关系： ( f ) ：q d y e f ( t ) ( 2 1 ) 充电时，假设起止时间分别为t o 和，则从电源输出的能量最可以表示为： e = f i c ( t ) d t ( 2 2 ) 设开始充电的t o 时刻，负载电容上电压为仍即倒= d ；而充电完毕后的 t l 时刻，负载电容上的电压已经充到最高，即= 。将式( 2 1 ) 代入 ( 2 2 ) 中，得到 e s 巴屹挚= q r 妣= q 吃 ( 2 3 ) 丘的一部分通过对q 充电而储存在q 上，另一部分则消耗在r c 上。储存 在c l 上的能量为 = f l v c ( t ) t c ( t ) d t = c lj ： v c ( t ) 挚= c lr v c d v c = 三q 吃( 2 4 ) 因此，得到充电期间消耗在惑上的能量丘 e = e 一= 去q 吆 ( 2 5 ) 同理，放电时，设起止时间分别为t ，和t 2 ，且q 完全放电，则有p = 似= d 。消耗在勘上的能量历为 e d = 一f 2 v c ( t ) i c ( t ) d t = fv c 妣= 告q 吃 ( 2 6 ) 由 z 实际上，助就是放电开始时，即t i 时刻储存在q 上的能量，在放电过程中 全部消耗在如上了。至此，一个充放电周期完成，而t o 时刻从电源输出的能量 e 全部消耗在m o s 管上。 假设系统在一秒钟内充放电厂次，则系统的功耗可表示为 p = e f = c l 吃f ( 2 7 ) 可以看到，数字电路的功耗与m o s 管的等效阻抗r c 和勘无关；与充、放电 周期o - t o 、t 2 - o 无关；与电容电压v c 何、电容电流站的波形无关。甚至，当心 和如为非线性时变阻抗( 例如三极管) 时，而这个功耗估算公式依然成立。 然而，纵观整个推导过程，以下三个假设条件必须满足 1 ： ( 1 ) 负载电容值q 是常数； ( 2 8 1 ) ( 2 ) 电源电压场是常数； ( 2 8 2 ) ( 3 ) 在充放电的过程中，满足= d ，v c p = z d d 和v c 似= d 。 ( 2 8 3 ) 当今绝大多数数字c m o s 集成电路都能满足这三个条件。因此，式( 2 7 ) 成 为传统静态c m o s 数字集成电路的经典功耗估算公式，对数字集成电路的设计产 纯单相能量回收技术的研究 第二章能量回收技术的提出 生深远的影响。 2 2 能量回收技术的提出 从式( 2 7 ) 出发，可以清晰地看到，要降低数字集成电路的功耗，可以通 过减小式子中的三个变量，即q 、和来实现。当今成熟的低功耗设计思 想正是围绕这三个因素来展开，它们或者减小电路节点的等效负载电容：或者降 低电源电压，开发低压工艺、低压器件；或者利用各种算法降低电路节点的翻转 频度；动态电源管理系统在系统空闲时自动进入低功耗睡眠状态。所有这些技术 实际上都逃不出经典功耗估算公式的限制。本节要讨论的低功耗设计技术能 量回收技术利用变化的电源( 即可变电源) ，摆脱了经典功耗估算公式的限制。 2 2 1 电源的两次阶分 v v a t v v i a y 毒甜2 t 0t l2 t lto ( a ) t t 3 尼统2 t t c o ) 图2 2 ( a ) 理想的恒定电压源；( b ) 两次阶分的电压源。 想要摆脱经典功耗估算公式的限制，首先要破坏式( 2 8 ) 中的三个假设条 件。试想：当电源电压不再是常数而是阶越变化时，系统功耗会如何变化呢? 我们假设在充电的过程中，电源电压分两阶上升到场 2 ，即电源在t o 到r ， 的时间里为v d a 2 ，而在t j 到t 2 ( - - 2 0 ) 的时间内为场，如图2 2 ( b ) 所示；并 且满足在f ，时刻，负载电容电压已经被充到近似于v a d 2 ，即v c ( t 1 ) = v a a 2 ，而在 t 2 时刻负载电容电压已经被充到近似于场，即v d t 2 ) = 。 要满足v z t 9 = 纥以，需要先满足h _ 3 r 。c l 。下面是推导过程： 先回到2 1 节的推导环境。充电时，由电路理论可知 ! v a t ) = v a a ( 1 一p , c l ) ( 2 9 ) 将上式代入式( 2 1 ) 中得到 纯单相能量回收技术的研究 6 第二章能量回收技术的提出 m 掣= c 三r , , 艰1 - - - l - ：- p 素专e 素 ( 2 1 0 ) 则充电过程中消耗在m p l 上的功耗只为 i z 2 卫 只= ( f ) r 。= 半e 邸。 ( 2 t 1 ) 消耗的能量反为 e = m 肛和e 鼍班毛q 咖一蔗) ( 2 1 2 ) 当t l = 3 r 。c l 时，v z t 9 约为场的9 5 a 5 ，而历约为c l v j 2 的9 7 5 ，故可以 做合理的假设：认为t l 时刻负载电容电压已经被充到场，即矧= 场。而在我 们现在讨论的两次阶分电压源的情况下有：v g t o = v a y 2 以及v c ( t z ) = ( 在t 2 = 2 t l 的情况下可以同理推出) 。 那么，在幻到f j 的时间里电源输出的能量最二，为： e s , 2 _ i = i i - 警- i c ( t , d t = 孚挚半产妣三q 吃亿 在幻到f ，的时间里储存在q 上的能量二，为 纠：( ，) 乇( ，渺= qr 屹( d 尘警q 产比机虿1 q 吆( 2 1 4 ) 因此，得到t o 到t t 的时间里消耗在r 。上的能量尾二j 巨 2 - l = 巨2 - l 一2 - l i 1 乙l y 甜2 ( 2 1 5 ) 在f ，到幻的时间里，电源输出的能量g s , 2 2 # j ： e ，22 - - - r 屹渺；q r 挚c 上肇咖c 圭c 吆 ( 2 1 6 ) 在f ，到t 2 的时间里储存在q 上的能量柚为 ：= j ：2 ( f ) i c ( t ) a t = qj ：2 叱( d 挚q 筐2 叱妣昙q 吃( 2 1 7 ) 因此，得到f j 到t 2 的时间里消耗在疋上的能量既” e ，2 2 = 巨，2 2 一互印2 i 1 乙l y 甜2 ( 2 1 8 ) 得出，充电期间储存在q 上的总能量2 为 ，2 = 2 1 + 2 - 2 i 1 乙工y 谢2 ( 2 1 9 ) 纯单相能量回收技术的研究 7 第二章能量回收技术的提出 消耗在尼上的总能量最2 为 1 e ，2 = e 2 - i + e ，2 - 2 去c 工吆 ( 2 2 0 ) - t 比较式( 2 5 ) 和式( 2 2 0 ) 不难发现：在输出节点电压最终都是被充到 的前提下，电源电压的两次阶分使得充电过程中消耗在凰上的能量变为原来的 一半! 这个结论非常重要，它初步使用了可变电源的概念，成为能量回收技术的雏 形，启发了很多思想。接下来的想法是：假如电源电压从两次阶分变为n 次阶分， 功耗是不是会继续下降? 2 2 2 电源的n 次阶分 均 所 上 ， ( a )( b ) 图2 3 ( a ) 电源n 次阶分的一个实例；( b ) 负载电容电压v c 。 电 图2 3 所示为一个电源n 次阶分的实例 3 4 ，讨论的仍然是充电过程。给 负载电容充电的有n 个电源电压所蜘，它们满足： 1 厂 k = 拧丝仍= j ，2 肋 ( 2 2 1 ) “ n 通过控制n m o s 的栅电压使它们依次不重叠地导通，并使每个管子导通的时 间相同，都为n ，且满足f ，习r 。q ，( 设每个n m o s 管的导通电阻都为r 。) ，这样 便使得每个阶段中，负载电容电压都有足够的时间被充到当时导通的电源电 压。充电的过程中m n o 管始终截止。 设m n l 管从t d 时刻开始导通，则在r ，时刻截止。后面的m n n 管( 玎= j ，2 ) 从o ，= 伽f ，时刻开始导通，在t n = n t ，时刻截止。在m n n 管导通的时间段内，电 源电压为：圪= r l 例。由于已经假设o _ 3 r 。c l ，根据2 2 1 节的推导结论，有 v c 似向矽v d d n 以及f u 以圪珏， 那么，在岛，到厶的时间里电源输出的能量e 万为： 纯单相能量回收技术的研究 8 第二章能量回收技术的提出 耻降- - e - 胁孕挚华荜妣铲t t 儿2 ( 2 2 2 ) 在厶，到岛的时间里储存在q 上的能量行为 = 。锄胁q 。v c ( t ) 挚 ，、 q 盏v c 妣芬巴吃 q 卫3 q 丝选v c 妣菁巴吃 得到k ，到岛的时间里消耗在r c 上的能量e e 一= 一，。啬c y 2 , ( 2 2 4 ) 可知，既开与行无关，则整个放电过程中，即电源n 次阶越到场的过程中， 消耗在如上的总能量历为 疋= 皿，。寺c , v 2 , ( 2 2 5 ) 与式( 2 5 ) 比较，得出重要结论：在输出节点电压最终都是被充到场的 前提下，电源电压的n 次阶分使得充电过程中消耗在如上的能量变为原来的1 n ! 图2 3 所示的电源n 次阶分电路具有较大的缺点，它需要n 个独立的电源， 这不仅使得电源线布线复杂，更将增大电路成本。图2 4 所示的电源n 次阶分电 路 3 改进了这些缺点。 可以看到，原来的电源乃，用n - 1 个电容量较大的电容来代替，并且将 这些电容设计为片外的( 避免由电容带来的电路面积损耗) 。工作时，先将它们 分别充电到所，由于它们的电容量大，所以在放电过程中自身的电压几乎 不下降。这样一来，电路功能和图2 3 所示的便完全一样了，却只需要一个电源， 大大简化了电源线布线并降低了电路成本。 图2 4 改进型电源n 次阶分的实例 纯单相能量回收技术的研究 9 第二章能量回收技术的提出 尽管如此，这样的电路并不实用，因为与传统静态c m o s 逻辑电路相比，这 种逻辑中，仅仅一个电路节点就需要n 个额外的n m o s 开关管，并且需要n 条控 制线来控制，这大大增加了电路面积，增大了由开关管引起的功耗，更使得电路 设计复杂化。如果说内部节点不使用这种逻辑而仅仅应用在输出节点，则可以在 一定程度上挽回电路面积和功耗的损失，但仅仅由输出节点节省的功耗其实并不 大，而且还可能补偿不了由器件增加所带来的损失。 顺着电源两次阶分到n 次阶分的思路继续下去，一个很自然的想法就诞生 了：如果使用连续变化的电源来代替阶越变化的电源，结果又是怎样? 功耗会不 会继续降低? 这实际上已经触及到能量回收技术的核心了，具体的实现和功耗的 计算将在2 2 4 节以及2 3 节中详细阐述。 然而，这种思想也只能算是一半的能量回收思想，因为讨论的还只是如何降 低在电路充电过程中消耗在匙上的能量，还未涉及放电过程，下一节介绍放电 过程中实现的能量“回收 。 2 2 3 能量回收技术的提出 在2 2 1 和2 2 2 节的推导中一直假设在对输出节点充电的过程，得出的结 论是可变电源降低了充电过程中消耗在m o s 管上的能量，而放电时候的功耗并未 提及。实际上，由于放电时，之前储存在负载电容上的能量将全部流入地而损耗。 所以式( 2 4 ) 和式( 2 1 6 ) 分别代表恒定电源和两次阶分电源的情况下，放电 过程中耗损的能量。不难发现，它们是相等的，即不管电源为何种形式，放电过 程中耗损的能量都不变。这是由于负载电容上储存的能量在放电过程中都流入了 地而造成的。如果不让这些能量流入地，而是加以引导使其流回电源而回收的话， 功耗可以得到进一步的减小。将图2 1 中的地替换为电源b ，让其从逐步降 到0 ，从而引导输出节点放电，这就是一个完整的能量回收逻辑模型，如图2 5 ( a ) 所示。 还是以电源b 的两次阶分为例来推导，假设在放电的过程中，电压源b 分两 阶从下降到o ( 此时，电路的输入为“1 ”，m p l 截止，m n l 导通) ，即电源b 在f d 到f ，的时间里为v d , 2 ，而在f ，到幻( 墅r ，) 到的时间内为0 ，如图2 5 ( c ) 所示；并且满足在f ，时刻，负载电容电压已经被放到近似于v j 2 ，即v d t g = 纥以， 而在如时刻负载电容电压已经被放到近似于0 ，即倒d 。幻同样满足f ，梦r d c l 。 在幻到f ，的时间里从q 上输出的能量二，为 矿 2 - 一= 一j ：( ，) f c o ) d r 一e le v c d v c 言q 吆 ( 2 2 6 ) 在幻到f ，的时间里流回电源的能量晟二，为 纯单相能量回收技术的研究 1 0 第二章能量回收技术的提出 ( c ) 图2 5 ( a ) 能量回收逻辑的雏形：( b ) 充放电等效电路； ( c ) 两次阶分的电源b 。 = - j o e , - j c v d d 田= 一半f i 挚一半彦妣三q 屹( 2 2 7 ) 则在勋到幻的时间里消耗在如上的能量助二，为 易2 - ，= 2 - j e 2 - ，吉q 吆 ( 2 2 8 ) 在，到易的时间里从e l 上输出的能量”为 e 。p , 2 - 2 - - f 2 v c 蹴( r ) 弧- - c l 丘，v c d v c 昙q 吃 ( 2 2 9 ) 在t l 到f 2 的时间里流回电源的能量g s , 2 2 荛j e 2 - 2 = 一f 2 0 i , ( t ) d t = o ( 2 3 0 ) 则在t j 到t 2 的时间里消耗在如上的能量l e d , 2 2 为1 易2 2 = 2 一e 2 - 2 i 1 乙上y 耐2 ( 2 3 1 ) 因此，得出整个放电过程中消耗在r d 上的总能量反2 为 纯单相能量回收技术的研究 第二章能量回收技术的提出 历，2 = 易2 - l + 日，2 2 q 吆 ( 2 3 2 ) 叶 与式( 2 6 ) 比较，发现在输出节点电压最终都是被放电到0 的前提下，电 源电压b 的两次阶分( 实际上可以将原来的地看成为一个电压为0 的恒定电压源 b ) 使得放电过程中消耗在心上的能量变为原来的一半! 另一半则回收入电源b ( 这里的电源要设计成可回收能量形式的，否则能量流回电源将会耗散在电源内 部电路中而与流入地无异) 。类似于2 2 2 节的理念，电源b 同样可由阶越变化 替换为连续变化来获得更低的功耗。 这样一来，充电时连续变化的电源a 、放电时连续变化的电源b 加上中间的 逻辑电路就构成了完整的能量回收模型。 2 2 4 能量回收技术的基本原理 dz ( c ) 图2 6 ( a ) 传统静态c m o s 逻辑电路； ( b ) 充电时p 型逻辑电路的压降； ( c ) 放电时n 型逻辑电路的压降。 为了说明能量回收的基本原理，需要先考察传统静态c m o s 电路，如图2 6 ( a ) 所示。在充电的过程中，能量从传送到q ，消耗在p 型逻辑电路上的能 量昂可以表示为： 易= r 严办 亿3 3 ， 其中，墨表示整个能量传送过程中p 型逻辑电路导通电阻的平均值，于是在 纯单相能量回收技术的研究 1 2 第二章能量回收技术的提出 尼上消耗的瞬时功耗为： 只( f ) ：【垡逖巫 ( 2 3 4 ) r r p 厶与1 ，c 的平方成正比。可见，消耗在p 型逻辑电路上的功耗大小取 决于如上的压差v c ，如图2 6 ( b ) 所示。想办法减小这个压差就能减小消 耗在如上的功耗。同理，放电时，n 型逻辑电路上的压差造成了如上的功 耗，如图2 6 ( c ) 所示。实际上，图2 6 ( b ) 和图2 6 ( c ) 中阴影部分的面积 代表的就是充放电过程中消耗在逻辑电路上的能量。要减小功耗，就要想办法减 小阴影部分的面积。 能量回收技术利用随时间变化的电压源，圪删，来减小充放电时在p 型逻 辑电路和n 型逻辑电路上的压差，即减小阴影部分面积，从而降低消耗在它们上 面的能量。 图2 7 ( a ) 为能量回收技术的一种可能的实现方案。砌，缈和虼口何为正弦 波电源。充电时，缓慢上升，紧紧跟随，如图2 7 ( b ) 所示，聊渺 很小，因而消耗在p 型逻辑电路上的功耗也很小。而放电时，虼z 缓慢下降， v c 俐引导下降，如图2 7 ( c ) 所示。这样，不仅使得n 型逻辑电路上消耗的能量小， 而且使得之前储存在q 上面的能量传送回电源，而不像传统静态c m o s 那样流入 地而浪费。当然，能量回收电路的电源2 何应设计成具有可回收能量的功能。 v ( a ) d丁 ( c ) 图2 7 ( a ) 能量回收技术的一种可能的实现方案： ( b ) 充电时p 型逻辑电路 的压降：( c ) 放电时n 型逻辑电路的压降。 纯单相能量回收技术的研究 第二章能量回收技术的提出 ，何和屹刀例上升或下降得越慢，跟随得越紧，昂和如上的压差就越 小，功耗也就越小，如果接近无限慢，理论上似会与电源线重合而使得功耗为 零，所以从某种意义上说，能量回收电路是以牺牲速度为代价来换取功耗的降低。 相反，当圪“何和圪韶上升或下降得越快，相应k 何就越难跟随，马和如上 的压差会越大，功耗也就越大，快到一定程度，就如同静态c m o s 电路一般，甚 至超过了。不难得出，能量回收电路的系统时钟频率越高，功耗越大；相反，频 率越低，功耗越小。所以普遍认为，能量回收逻辑适于低频应用场合，在2 3 节 将会提供理论推导。 能量回收逻辑同时也称为绝热逻辑，这是因为在理想情况下，电路不消耗能 量而“绝热 。由上面的分析不难看出这种理想情况发生在系统时钟频率为0 时， 所以实际上是不可能达到的。更准确的说法应该是“近似为o 。 5 中提到了一 种获得近似o 功耗的方法。 在能量回收电路中，电源电压既作为供电来源，又作为节点翻转的控制信号， 因此被称为功率时钟( p o w e rc l o c k ，p c ) 。根据能量回收电路所使用的不同相位 的功率时钟的个数，可将其分为多相位功率时钟控制电路和单相位功率时钟控制 电路。在图2 7 所示的这种能量回收逻辑的可能实现方案中使用了两个互补的功 率时钟，圪“似和虼口，故为双相能量回收电路。 2 3 能量回收电路的功耗 从2 2 节中的推导中我们不难得出这样一个结论：电路充放电过程中消耗在 m o s 管上的能量相等。本节就以电路的充电过程为例对能量回收电路的功耗进行 理论推导。 图2 8 所示为静态c m o s 逻辑和能量回收逻辑在充电过程中的等效电路图。 根据式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可知在一个充放电周期中静态c m o s 逻辑消耗的能 纯单相能量回收技术的研究 1 4 第二章能量回收技术的提出 量为： e ，= q 吃 ( 2 3 5 ) 这个能耗与m o s 管等效电阻凡无关。在能量回收逻辑的充电过程中，设充 电周期为乃等效电阻为如。并假设时间常数尺口q 远小于周期l 即有 见c “t ( 2 3 6 ) 这意味着御将紧紧跟随电源而变化，使得足上的压降非常小，甚至接近 于0 。这时的波形就基本上和电源一致，以斜率啪上升到。可以得到 此时的充电电流坛口为 铲q 车= 孚(237)at 消耗在心上的能量e 口为 疋。：, l r o t = ( 乒) ：凡丁：芒乒) q 吃 ( 2 3 8 ) 放电过程中的等效电路实际上与充电过程是一致的，消耗的能量也相等( 在 回路电阻相等的前提下) 。因此，一个充放电周期中消耗的能量历为 乞：( 筌璺) 巴吆 ( 2 3 9 ) 与式( 2 3 5 ) 比，最大的不同在于系数口r 口c d t 。两种情况下，功耗都是由 回路电阻产生的，负载电容扮演能量储存器的作用，本身不产生任何功耗。在静 态c m o s 电路中，由于电源电压是常数，因此在充电过程中降落在砖上的压差较 大，流过的电流较大，因而产生的功耗就较大；而在能量回收电路中，电容电压 随着电源缓慢上升，紧紧跟随，因此降落在心上的压差小，流过的电流小，因 而产生的功耗小。由于r 口q 吖n 有 e 广华) c , r 2 “昙巴屹 ( 2 4 0 ) 可以看到，储存在负载电容上的能量远远大于充放电过程中消耗在回路电阻 上的能量，这意味着在放电过程中有相当多的能量被回收到电源中。在能量回收 电路中，电源一般为谐振电路来产生正弦波，且设计成可回收能量形式，将储存 在负载电容上的能量回收，并在下个充放电周期重复使用。本文讨论的重心在纯 单相能量回收逻辑本身，因此对电源电路不作过多的讨论。但需要注意的是，如 果电源没有设计成可回收能量形式，在放电过程中流入电源的能量将在电源内部 以热量的形式耗散。 式( 2 3 9 ) 就是能量回收逻辑能耗的一般表达式。式中旅口q 的大小取决于 制造工艺、管子尺寸以及寄生参数，而丁取决于功率时钟的频率。当功率时钟的 频率降低，则r 增大，电路能耗就降低，在低频下，能量回收电路与传统静态 纯单相能置回收技术的研究 第二章能量回收技术的提出 c m o s 电路相比具有相当大的功耗优势；当频率上升，则丁减小，电路能耗增大， 当丁减小到讹q 时，能量回收电路相对于静态c m o s 就没有任何优势可言了。 图2 9 所示为静态c m o s 电路和能量回收电路在状态翻转过程中产生的能耗与功 率时钟频率的关系。对静态c m o s 逻辑和能量回收逻辑更详细的比较可参考 6 。 o 5 c 坛 盘 蜒 口u 4 m ： 簿 霉g 铀长 o 系统频率厂 图2 9 翻转能耗与系统频率的关系 从图中可看到，静态c m o s 逻辑的动态能耗与系统频率无关，而对于能量回 收逻辑来说，厂越小，能耗越小。因而，一个较普遍的结论是：能量回收逻辑适 于低频应用场合。而关于能量回收技术在高频场合下的应用，学术界仍存在一些 分歧 7 8 9 。 纯单相能量回收技术的研究 1 6 第三章典型的能量回收逻辑 第三章典型的能量回收逻辑 在能量回收电路中，电源既作为供电来源，又作为节点翻转的控制信号，因 此被称为功率时钟( p o w e r c l o c k ，p c ) 。根据能量回收电路所使用的不同相位的 功率时钟的个数，可将其分为多相位功率时钟电路和单相位功率时钟电路，多相 位功率时钟电路又可分为四相和双相。本章的前三节归纳己问世的各种典型的能 量回收逻辑，对其原理进行详细地阐述，对每种逻辑的主要优缺点进行总结，力 求为后来的研究者提供一份详尽的深入浅出的资料。最后一节根据归纳总结的成 果，科学地提出能量回收逻辑下一步的研究发展方向，为本文的主要研究对象一 一纯单相能量回收逻辑提供理论依据。 3 1 四相能量回收逻辑 学术界首先提出的就是四相逻辑 i o i i 1 2 1 3 1 4 ，其中典型的包括动 态绝热逻辑a d l 、效率能量回收逻辑e c r l 、2 n 一2 p 逻辑和2 n 一2 n 2 p 逻辑。这种逻 辑的电路级联形式需要相位依次相差9 0 度的四个功率时钟来引导节点充放电。 3 1 1 动态绝热逻辑( a d l ) 一j l i i j d i 一j 删1 jl l l 西 ( a ) 预充电求值 多徙八八? 阼 图3 i ( a ) a d l 反向器；( b ) 单级反向器工作波形。 a g d i c k i n s o n 在1 9 9 5 年提出了动态绝热逻辑( a d i a b a t i cd y n a m i cl o g i c ， a d l ) 1 2 ，