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開(kāi)關(guān)電容DC-DC設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)之一即為轉(zhuǎn)換效率，一般而言，我們希望轉(zhuǎn)換效率越高越好，這意味著轉(zhuǎn)換器可以在實(shí)現(xiàn)相同驅(qū)動(dòng)能力與帶載能力的同時(shí)有更小的損耗，從而具有更高的能效。而轉(zhuǎn)換效率直接與損耗掛鉤，如公式所示：

其中Win為電源為轉(zhuǎn)換器提供的總功率，Wloss即為開(kāi)關(guān)電容DC-DC損耗的功率部分。

為了提高轉(zhuǎn)換器的效率，了解開(kāi)關(guān)電容DC-DC中的各部分損耗成為設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)心的問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電容DC-DC中的損耗一般包含如下四部分：開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻損耗、紋波損耗、飛電容寄生電容損耗以及開(kāi)關(guān)管寄生電容損耗。其中開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻損耗與紋波損耗又可歸結(jié)為線性損耗，其最終表現(xiàn)形式是等效為一個(gè)輸出端到負(fù)載之間的串聯(lián)阻抗，負(fù)載電流在串聯(lián)阻抗上產(chǎn)生壓降使輸出電壓下降，如下圖所示：

其中Vnl是轉(zhuǎn)換器理想輸出，Vout是轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出，線性損耗Plin即可表示為：

類似地，飛電容寄生電容損耗與開(kāi)關(guān)管寄生電容損耗可以歸納為分流損耗，其表現(xiàn)形式在于等效為一個(gè)輸出端到地的阻抗，使一部分輸出電流不直接流向輸出負(fù)載而是直接到地，帶來(lái)額外的耗電，如下圖所示：

有了線性損耗和分流損耗兩種模型后，可以將兩者結(jié)合起來(lái)，從而得到開(kāi)關(guān)電容拓?fù)淇倱p耗模型，如下圖所示：

1.開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻損耗

開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻損耗產(chǎn)生原因在于開(kāi)關(guān)管并非理想器件，其導(dǎo)通電阻在電流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱損耗，其大小與負(fù)載電流，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻，開(kāi)關(guān)管寬度有關(guān)，可用如下公式表達(dá)：

其中IL為負(fù)載電流，Ron為單位寬度開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻，Wsw為開(kāi)關(guān)管總寬度，Msw是一個(gè)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)的常量，用以衡量開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻在一次充放電周期內(nèi)對(duì)于損耗的貢獻(xiàn)。其計(jì)算方法如公式所示：

其中Nsw,tot代表開(kāi)關(guān)管總個(gè)數(shù)，T代表充放電周期，Tph1代表充電周期，Tph2代表放電周期，Nsw,on,ph1代表充電周期內(nèi)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管數(shù)，Nsw,on,ph2代表放電周期內(nèi)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管數(shù)。例如對(duì)于一個(gè)2:1拓?fù)?，一般由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，其在充電周期內(nèi)有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，在放電周期內(nèi)有另外兩個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，假設(shè)充放電周期各占總周期的1/2，于是可以得到：

導(dǎo)通電阻損耗可以歸結(jié)為線性損耗的一部分，體現(xiàn)在輸出電壓上。對(duì)于一定的負(fù)載而言，如果開(kāi)關(guān)管寬度不足，即開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻過(guò)大，會(huì)使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗增加，此時(shí)，反映在輸出上即表現(xiàn)為輸出電壓無(wú)法達(dá)到額定值，即驅(qū)動(dòng)能力不足。為了減小開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻損耗，可以通過(guò)增加開(kāi)關(guān)管寬度來(lái)減小開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻，從而提高輸出驅(qū)動(dòng)能力。

2.紋波損耗

紋波損耗來(lái)源于輸出電壓紋波在負(fù)載上產(chǎn)生的熱損耗，與負(fù)載電流，飛電容值，時(shí)鐘頻率相關(guān)，可用如下公式表達(dá)：

對(duì)于一個(gè)2:1拓?fù)涠?，其輸出電壓紋波可以表示為：

則其紋波損耗可以進(jìn)一步表示為：

紋波損耗也可以歸結(jié)為線性損耗的一部分，表現(xiàn)在輸出電壓上，與轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)能力相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)能力不足，即輸出電壓達(dá)不到額定輸出時(shí)，相對(duì)的紋波損耗會(huì)占比較大，此時(shí)可以通過(guò)增加飛電容值或者提升時(shí)鐘頻率來(lái)降低紋波損耗。

3.飛電容寄生電容損耗

飛電容寄生電容損耗來(lái)自于飛電容的寄生電容，與所使用的電容類型有關(guān)，同時(shí)與時(shí)鐘頻率，底板電壓擺幅相關(guān)，可用公式表達(dá)如下：

其中α為飛電容寄生因子比例，表示飛電容頂板寄生電容和底板寄生電容占飛電容值的比例，由于寄生電容在飛電容進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程中不參與將電荷搬運(yùn)到負(fù)載電容而是直接泄放至地，所以成為無(wú)用的部分。ci表示第i個(gè)飛電容占總飛電容值的比例，△Vbp表示飛電容底板電壓擺幅。

由于寄生電容不參與有效的電荷搬運(yùn)，所以成為該損耗的直接來(lái)源，故優(yōu)化飛電容寄生電容損耗需要對(duì)不同種類電容及其寄生因子比例有所了解。CMOS工藝中常用的電容種類有MOS電容、MOM電容和MIM電容等。MOS電容是MOSFET的柵-襯底之間的電容，其寄生因子比例在10%以上，與其他種類電容相比，由于MOS電容的工藝流程和普通的MOSFET工藝流程一致，不需要額外的掩模層，因此成本是最低的，但MOS電容容值會(huì)隨著電壓的變化而產(chǎn)生非線性變化。如下圖所示為NMOS器件的電容-電壓特性，當(dāng)VGS為負(fù)時(shí)，容值會(huì)隨著VGS減小而增加，VGS減小到一定程度后，CGS開(kāi)始保持恒定，此時(shí)MOS電容工作在“積累區(qū)”，與之對(duì)應(yīng)的是VGS為正且超出一定范圍后，MOS電容工作在“強(qiáng)反型區(qū)”，此兩種工作狀態(tài)下的等效電容是恒定的。當(dāng)VGS從“強(qiáng)反型區(qū)”開(kāi)始減小后，MOS電容工作在“弱反型”階段，由于電容器兩端的電壓會(huì)隨著柵電壓的變化而發(fā)生變化，此時(shí)MOS電容容值也會(huì)隨著VGS的減小而減小。MOM電容利用不同層金屬之間形成的“插指”結(jié)構(gòu)，從而形成一個(gè)個(gè)密集的電容，最終并聯(lián)成一個(gè)大的等效電容。MOM電容的制作流程同樣不需要額外的掩模層，和CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容。其寄生因子比例與金屬層數(shù)的選擇相關(guān)，一般而言MOM電容的寄生因子比例約為5%，隨著底板金屬層數(shù)的增加，寄生比例有所下降。MIM電容是在兩金屬層之間使用特殊的絕緣層作為介質(zhì)層。MIM電容的上下極板使用工藝的高層金屬，因此下極板的寄生電容的比例比較低約為1%，但由于工藝原因，并非所有的工藝都包含MIM電容可供選擇。

4.開(kāi)關(guān)管寄生電容損耗

開(kāi)關(guān)管寄生電容損耗來(lái)自于時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管時(shí)柵電容帶來(lái)的損耗，與時(shí)鐘頻率、柵電容密度、開(kāi)關(guān)管寬度以及時(shí)鐘擺幅相關(guān)，可用如下公式表達(dá)：

其中ε表示一個(gè)大于1的損耗系數(shù)，是由于緩沖鏈能量損耗造成的，其實(shí)際取值具體取決于驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度以及緩沖鏈BUFFER的尺寸。Cunit為開(kāi)關(guān)管單位寬度柵電容值，Vin2為驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管柵極時(shí)電壓擺幅的平方。當(dāng)時(shí)鐘頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)管寄生電容損耗會(huì)明顯增加，此時(shí)可以通過(guò)減小驅(qū)動(dòng)電壓擺幅來(lái)減小該損耗。