GIÁO TRÌNH NĂNG LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT

GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
Năng lượng và công suất

1


•

Bộ cấp điện cho mạch điện tử, nhất là các IC có
xu hướng ngày càng nhỏ và thật nhỏ
• Muốn vậy các IC ngày càng được thiết kế theo
yêu cầu tiêu thụ công suất thật thấp.
VS

• Xét năng lượng tiêu tán trong cổng MOSFET:
RL
• C : điện dung dây nối
• CGS điện dung của cổng của tầng sau
+
Chúng ta xét: - công suất lúc chờ (standby)
vo
C
+
•
- công suất lúc sừ dụng
vI
-

-

• Trước hết chúng ta xét vài thí dụ liên quan

về năng lượng và công suất
2


I. Năng lượng và công suất của một
số linh kiện
Đònh luật Joule
• Điện trở

V

V2
P  RI  VI 
W 
R
E  PT  VIT
(J )

+

R

-

2

V
-

Vs

Vs

• MOSFET

+

I

RL

RL

Vo
L

H
vI

vo

vI
RON

VS2
P
RL  RON

P 0

3


Mạch RC đơn giản:
Dạng sóng
• Tính năng lượng tiêu tán
+
trong một 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
4


1. T1: S1 đóng, S2 mở
• Giả sử vc = 0 tại t = 0
Vc
i
Vs
Vs/R1

R1
+
Vs
-

C

+
vc

-

VS t 
e
R1

t

t

Năng lượng tổng cộng tạo ra bởi nguồn trong suốt
thời gian T1:

Vs2 t R1C
E1  �
Vs idt  � e
dt
0
0 R
1
T1

T1

Vs2

R1Ce t R1C
R1

1

CVS2
2 R1
với
1
E1  CVs2
2

T1
0

 CVS2  1  e t R1C 

 CVS2
T1 ? R1C Nếu ta chờ trong thời gian đủ l
năng lượng tích trử trong C
độc lập
năng lượng tiêu tán trong R 1

5


2. T2: S2 đóng, S1 mở
• Trò ban đầu vC = VS ( T1>>R1C)
+
Ban đầu năng lượng tích trử trong C
vc
là = ½ (CVS2)

C

R2

-

• Giả sử T2 >>R2C
Tụ điện xã điện trong thời gian T2
Năng lượng tiêu tán trong R2 trong suốt thời gian T2
1
E2  CVS2
2
E1, E2 độc lập với R2.
• Năng lượng tổng cộng trong chu kỳ T (Giả sử C xã và
1
1
nạp hoàn
E toàn)
E1  E2  CVS2  CVS2
2

 CV

2
S

2

Năng lượng tiêu tán trong thời gian nạp va

2
• Công suất trung

CV
E
bình
S

P


T
T
 CVs2 f

Tần số f = 1/T
6


2. Công suất trung bình trong mạch RC
Năng lượng tiêu tán trong 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 



2

R1



VTH = VSRON / (RON+R)
= VSR2/(R1+R2)

vC2

R2

�
VS  vTH 1  e
�

R1

 t  RTH C 



2

2
t RTH C
� �
�
VTH  1  e
�
� �
R2

7


• Tích phân cho năng lượng tiêu tán:





2
2�
��
t  RTH C  �
t RTH C
�
��
VTH  1  e
�
t T1 �VS  vTH 1  e
�
�
�
w1  � �

�dt
t 0
R1
R2
�
�
�

• Giải cho:

VTH2
w1 
R2

� RTH C  2 t

t
e
�
� 2

RTH C

 2 RTH Ce

t RTH C

�T1
�
�0

T1
1 �
2
t RTH C �
2 RTH C  2 t RTH C
 �
e
 2  VS  VTH  VTH RTH Ce
 V  VTH  t  VTH
�
R1 �
2
�0

VTH2


R2

� RTH  2T1
T1 
e
�
2
�

RTH C

 2 RTH Ce

T1 RTH C



1 �
2
2 RTH  2T1
V

V
T

V
e
 S TH  1 TH
�

R1 �
2



1 � 2 RTH C
�

V

2
V

V
V
R
C


TH
S
TH
TH TH
�
R1 �
2
�
�

RTH C

2

� VTH

�
� R2

� RTH C
�


2
R
C
TH �
�
� 2
�

 2  VS  VTH  VTH RTH Ce T1

RTH C

�
�
�

8

• Tách riêng số hạng chứa T1, cho:
VS2T1 VTH2 � RTH C  2T1 RTH C
T1 RTH C �
w1 


e

2
R
Ce
TH
�
R1  R2 2 �
� 2
�

VTH2

2

� RTH C
�


2
R
C
TH �

�
� 2
�
1 � 2 RTH C  2T1 RTH C
�
 �
VTH
e
 2  VS  VTH  VTH RTH Ce T1 RTH C �
R1 �
2
�


1 � 2 RTH C
�

V

2
V

V
V
R
C


TH
S

TH
TH TH �
R1 �
2
�
�

• Sắp xếp lại và đơn giản, được :

VS2T1
CVTH2
w1 

1  e  2T1

R1  R2
2

RTH C



Khi T1 >>RTHC, tụ điện nạp đến tri số trạng thái
dừng VTH, và e-2T1/RTHC 0, w1 đơn giản đến:

VS2
VTH2 C
w1 
T1 
R1  R2

2

(I )

9


• Năng lượng tiêu tán trong 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 trong R2:
2
vC2
1
p t 
  VTH e t R2C 
R2 R2

• Năng lượng tiêu thụ tương ứng:

1
w2  �p  t  dt  �  VTH e t
0
0 R
2
T2

T2

1 2

VTH R2Ce  2T2
2 R2
• Khi T2 >> R2C, ta còn
•
V2 C

w2 

TH

2

R2 C T2
0

R2C



2

dt

2
VTH
C

1  e  2T2

2

R2 C



( II )
10


• Năng lượng tiêu tán tổng cộng:
• (I) và (II) cho:

� VS2
VTH2 C � VTH2 C
w  w1  w2  �
T1 
�
R


R
2
�1
2
� 2
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 2  R1  R2 

T
Pstatic

VS2

2  R1  R2 

Pdynamic

VTH2 C

T

* Hết phần chứng minh
11


II. Công suất của 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 trong 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 thế vC chuyển từ thấp lên cao:

vC  VTH   VS  VTH  e t RTH CL
•
•
•

Tươing tự như ở đoạn trước khi T1 >> RTHCL, ta được w1 :

VS2
VS2 RL2CL
w1 
T1 
2
RL  RON
2  RL  RON 
13


• Năng lượng tiêu tán trong 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   1  e t
•
•

CL

-

ic
+
vI

Vs

RL CL



Ta có thể dẫn suất
2 2biểu thức w2 khi T2 >> RLCL:

w2 

VS RL

2  RL  RON 

2
14


• Năng lượng tiêu tán tổng cộng:

VS2
VS2 RL2CL
VS2 RL2
w  w1  w2  w1 
T1 
 w2 
2
2
RL  RON

2  RL  RON 
2  RL  RON 
VS2
VS2 RL2CL

T1 
2
RL  RON
 RL  RON 
• Công suất trung bình:

VS2
VS2 RL2CL
w
T1
P


T
RL  RON T  RL  RON  2 T
VS2
VS2 RL2CL


2  RL  RON   RL  RON  2 T
• Công suất trung bình là tổng của thành phần công
suất tónh và thánh phần công suất động .
15

• Với:

Pstatic

VS2

2  RL  RON 

Pdynamic 



VS2 RL2CL

RL  RON  T
2





VS2 RL2CL f

RL  RON 

2

• 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.
VS2 2  RL  RON 
• Ta xét tỉ số:
 RL  RON  T
Pstatic

Pdynamic



2
S

2
L

V R CL

 RL  RON 

2

T



RL

2 RL CL

• Vì hoạt động thông thường của cổng số có T>>R LCL,
chúng ta thấy rằng Pstatic >> Pdynamic. Do đó, rất trở nên bức
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 và công suất động trong trường hợp xấu nhất.
VS

• Công suất tónh:



RL

Re  RL  2 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 2
VS RL CL f
VS2 RL2CL f
Pdynamic 

2
 RL  RONpd  RL  2RON RON RON





52  100.103 

 2,3W



 0, 01.10   10.10 
 100.10  4.10 
2

12

3

3 2

D



2

6

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
2
S

2

 RL  RON 

+

10fF

vI
-

Pstatic
 11, 25W
2
Công suất
tiêu tán động:

Pstatic 

Pdynamic 
•

C

CLVS2 RL2 f

 RL  RON 

2

 CLVS2 f  1,125W

P  Pstatic  Pdynamic  12,375W

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

•
18


• Ta có:

VS2
P
 CVS2 f
2 RL

Mod chờ(tónh)
độc lập với f
MOSFET ON
• phân nữa thời gian

Khi RL >>RON
Mod động
liên hệ với
tụ điện chuyển
mạch. (f 0, Pdynamic = 0)

• Thí du 3 ï: Cho một chip có 106 cổng có đồng hồ 100MHz. Có C

= 1 fF, RL = 10 k
, f = 100.106, Vs = 5 V.



•
•

� 25
�
P  106 � 4  1015  25   100   106  �
2.10
�
�
6

10
2,5giảm
V  Vs từ 5V  1V,
 1, 25mW lớn,
quá lớn, phải khử
mW

•

2,5W 150

 1,5kW  2,5W
19

III. Công suất tiêu tán trong CMOS
• Do CMOS hoạt động với dòng ró rất nhỏ, nên
xem công suát tiêu tán tónh không Vsđáng kể.
• Trong bán kỳ đầu, tụ tải
CL xã điện, và trong thời
T/2
khoảng bán kỳ sau, tụ nạp
PFET
lên nguồn cung cấp Vs.
vI
vo
• Vì dòng tónh và động không
chảy đồng thời trong linh kiện
T NFET
CL
CMOS, chúng ta có thể tính
công suất trung bình động
tiêu tán bằng phương pháp rất đơn giản.
 Trong thời khoảng bán kỳ tín hiệu vào thấp,
một lượng điện tích bằng QL 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:
QL = CL VS
20


• Tiếp đo, trong thời gian bán kỳ cùng lượng điện tích
chuyển tử tụ điện xuống mass. Thực tế, một điện

tích QL 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 SQL.
• Công suất trung bình cho:
V Q
V C V

Pdynamic 

S

L

T
 C LVS2 f



S

L

S

T

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

1 T và dòng điện trung bình
 Vs Nói
i t dt
cho bởi nguồnPcấp
cách khác, + Vs
dynamic điện.

 
�
T
0

RONp

Trong bán kỳ mà tín hiệu vào thấp và tụ điện
i(t)
nạp qua điện trở ON của PFET
C
( h. )

vc

21


• Hình sau đây mô tả vò 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
vo

• bán kỳ đầu (khi tín hiệu vào ở mức cao)
i(t)
• Lưu ý công suất cung cấp tạo nên dòng
C
vc
• điện chỏ trong bán kỳ thứ hai (khi tín RONn
• hiệu vào ở thấp) . Do đó, công suất phóng
• Thích bởi nguồn cấp điện chỉ trong thời
• khoảng T/2  T. Do đó,

1 T
1 T dQ  t 
Pdynamic  VS �i  t  dt  VS �
dt
T
2
T
2
T
T
dt
1 T CL dvo
1 Vs
 VS �
dt  VS CL �dvo
T
2
T
dt
T 0

1
 VS CL VS
• Ta có thể nhậnTthấy, Cổng đảo CMOS không có công
suất tónh và
VS2công
CL
2suất động ở 100MHz là 1,125


V
S CL f
•
T

W

22


• Thí dụ: Công suất của Microchip
• Trong thí dụ trước ta xét công suất động của cổng
logic là CLVS2f .
• 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 trò số của Microprocessor vào công
2
-15
6
thứ trên, ta0,có
động
bởi
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 = 1 fF, Vs = 5V, f =100 MHz, 106 gate
Công suất trung bình:

P  CVS2 f  1015  5   100.106   2,5W / gate
2

P  2,5W  106   2,5W / chip
• Ta có thể tóm tắt các kết quả 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

3 GHz

~1875W

PIV?
24


• Để làm giảm công suất:

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 A
3. Thay đổi Vs tuỳ thuộc vào sự cần thiết
Vs
• Cổng logic CMOS
NAND:
Nối tắt khi
A

F  A.B  A  B

Vs

B

Z

A =0 hoặc B=0
Hở khác trên
A

B

Z
B
Nối tắt khi
A.B đúng,
Hở khi

ngược lại
25