바이어스 전류와 누설 전류, 정적 소비전력 5가지 (bias, leak)

바이어스 전류와 누설 전류, 정적 소비전력 3가지


클록을 멈춘 상태, 즉 아무것도 하지 않아도 전력을 소비하는데 이것을 정적(static)인 소비전력이라고 한다. 마이크로컴퓨터는 움직이고 있지 않아도 정적으로 전력을 소비한다. 여기엔 바이어스 전류, 누설 전류, 소비 전력 등으로 분리된다.


1. CMOS 회로의 누설 전류

아래 그림 2에 나타낸 CMOS 인버터 회로에서는 입력 신호가 H레벨이나 L레벨의 일정값이면 부하의 충/방전 전류는 흐르지 않는다.


입력 신호가 LH할 때 흐르는 전류[바이어스, 누설, 정적] 입력 신호가 LH할 때 흐르는 전류


하지만 그림 6에 나타낸 것처럼 MOS 트랜지스터가 OFF 상태라도 드레인과 소스 간에 문턱값 전압을 낮춘 것을 요인으로 하는 서브 스레숄드(threshold) 누설 전류가 흐른다.


트랜지스터가 OFF되어 있는 중에도 흐르는 두 가지 리크 전류[바이어스, 누설, 정적] 트랜지스터가 OFF되어 있는 중에도 흐르는 두 가지 리크 전류


또한 게이트와 실리콘 기판 사이에 터널 효과를 요인으로 하는 게이트 누설 전류가 흐른다.


일반적인 마이크로 컴퓨터에서 사용되는 프로세스의 단체 MOS 트랜지스터에서는 pA 미만의 작은 전류이다. 하지만 칩 전체로 보면 수 n 수uA 클래스의 전류가 된다.


더불어 하이엔드 프로세서와 SoC(System on a Chip)에 사용되는 초 미세 프로세스에는 한층 더 큰 누설 전류가 흘러버리는 경우도 많은데, 다이내믹한 소비전력에 육박할 정도로 비율을 차지하게 되어 매우 큰 문제가 되고 있다.

2. 아날로그 회로의 바이어스 전류

마이크로컴퓨터는 논리 회로뿐만 아니라 아날로그 회로도 많이 내장하고 있다. A-D 변환기와 D-A 변환기 등 어플리케이션 측에서 명시적으로 제어하는 아날로그 회로는 사용하지 않을 때 클록을 멈추고, 아날로그부도 디세이블(disable)로 하여 누설 전류만 소비하게 할 수 있다.


한편, 파워 온 리셋 회로, 저 전압 검지 회로, 내장 전압 레귤레이터 등 인프라계의 아날로그 회로는 원칙적으로 상시 동작시켜야 한다. 따라서 그것들의 동작점을 결정하는 바이어스 전류를 포함하는 일정의 동작 전류는 계속 흐른다.


최근 마이크로컴퓨터의 경우는 파워 온 리셋 회로와 저 전압 검지 회로의 회로 면에서의 고안을 통해 거의 전류를 소비하지 않도록 한 것도 있다.


3. 내장 전압 레귤레이터 에러 앰프의 바이어스 전류

마이크로 컴퓨터의 내장 전압 레귤레이터는 출력 전류 용량이 많을수록 출력 전류 변동에 대한 레귤레이션 특성을 좋게 할 필요가 있어 내부의 피드백 회로에 있는 위상 보상용 에러 앰프의 동작 전류를 많이 소비시킨다. 의외로 소비 전류가 크다.


이 때문에 한 개의 마이크로컴퓨터 내에 전압 레귤레이터를 복수 내장하고, 통상 동작용과 저 소비 전력 상태용으로 나누는 경우가 많다.


전자와 비교하여 후자의 소비 전류는 상당히 줄일 수 있다.


복수의 전압 레귤레이터를 내장하고 있는 ON OFF[바이어스, 누설, 정적] 복수의 전압 레귤레이터를 내장하고 있는 ON OFF

(복수의 전압 레귤레이터를 내장하고 있는 ON OFF하는 것으로 저 소비 전력화를 도모한 마이크로 컴퓨터도 있다)


4. RTC의 소비 전류

캘린더 시계용 RTC(Real Time Clock)는 멈출 수 없기 때문에 그것의 클록원이 되는 32kHz 수정 발진기의 소비 전력에는 주의를 요한다. 빈번하게 정지와 기동을 반복하는 발진기가 아니라 발진 개시 시의 안정 시간이 길어도 괜찮기 때문에 발진기의 앰프 동작 전류를 떨어뜨려 소비 전류를 낮추는 고안을 하는 것이 일반적이다.


RTC 본체의 소비 전류는 크기 않다. RTC 전용 전압 레귤레이터를 가진 마이크로컴퓨터도 있다.


5. 전원 차단으로 스태틱 전력을 낮춘다.

복수의 전압 레귤레이터를 가지는 마이크로컴퓨터에는 위의 그림7에 나타낸 것처럼 필요한 기능 블록에 대응하는 전압 레귤레이터만 ON으로 하고 그 외는 OFF, 즉, 전원 차단이 가능한 것이 있다. 레귤레이터에 의한 전원 차단이 아니라, 특정 회로 블록만 부분적으로 전원 차단할 수 있는 제품도 있다.


전원 차단한 영역에 RAM이나 템포러리 정보용 스크래치 패드 레지스터가 포함되어 있는 경우는 그 안의 데이터는 저장되지 않는다.


출처 - 전자기술 2015년 10월호 58p

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