詳解低功耗設(shè)計(jì)

功耗影響

便攜性

功耗越低，同等電量下電子產(chǎn)品工作時(shí)間越長(zhǎng)，便攜性設(shè)備的電池容量和體積設(shè)計(jì)的困難度也會(huì)降低。例如，手機(jī)越做越薄，性能還不受影響，就是因?yàn)榈凸脑O(shè)計(jì)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

性能

功耗越大，耗能越多，產(chǎn)生的熱量越多，各器件的工作性能就會(huì)受到影響。例如，手機(jī)使用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)感覺(jué)手機(jī)發(fā)熱，而且各應(yīng)用軟件也會(huì)出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象。

成本

不考慮低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)方法可能較為繁瑣，實(shí)現(xiàn)的器件增多，產(chǎn)品面積增大；同時(shí)，功耗過(guò)大時(shí)，就要考慮散熱裝置，這又增加了組裝成本。

總之，低功耗設(shè)計(jì)有很多的優(yōu)點(diǎn)，也是以后數(shù)字設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

功耗類(lèi)型

功耗類(lèi)型一般可分為動(dòng)態(tài)功耗、靜態(tài)功耗和浪涌功耗。

動(dòng)態(tài)功耗

動(dòng)態(tài)功耗主要包括開(kāi)關(guān)功耗（又稱為翻轉(zhuǎn)功耗）和短路功耗（又稱為內(nèi)部功耗）。

1> 開(kāi)關(guān)功耗

在數(shù)字 CMOS 電路中，對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行充放電時(shí)消耗的功耗為開(kāi)關(guān)功耗。如下 CMOS 非門(mén):

當(dāng) Vin = 0 時(shí)，上面的 PMOS 導(dǎo)通，下面的 NMOS 截止；VDD 對(duì)負(fù)載電容 Cload 進(jìn)行充電。充電完成后，Vout 的電平為高。

當(dāng) Vin = 1 時(shí)，上面的 PMOS 截止，下面的 NMOS 導(dǎo)通，負(fù)載電容通過(guò) NMOS 進(jìn)行放電。放電完成后，Vout 的電平為低。

這樣一開(kāi)一閉的變化，即電源的充放電，就形成了開(kāi)關(guān)功耗。開(kāi)關(guān)功耗的計(jì)算公式如下所示：

其中，VDD 為供電電壓，Cload 為后級(jí)電路等效的負(fù)載電容大小，Tr 為輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)率。

2>短路功耗

信號(hào)的翻轉(zhuǎn)不是在瞬時(shí)完成的。因此，在輸入信號(hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)，PMOS 和 NMOS 總有一段時(shí)間是同時(shí)導(dǎo)通的，那么從電源 VDD 到地 VSS 之間就有了通路，形成短路電流，產(chǎn)生短路功耗。如下反相器電路圖所示：

短路功耗的計(jì)算公式如下：

其中，Vdd 為供電電壓，Tr 為翻轉(zhuǎn)率，Q 為一次翻轉(zhuǎn)過(guò)程中從電源流到地的電荷量。

靜態(tài)功耗

在 CMOS 電路中，靜態(tài)功耗主要是漏電流引起的功耗，往往與工藝有關(guān)。

漏電流的組成主要為：PN 結(jié)反向電流 I1、源極和漏極之間的亞閾值漏電流 I2、柵極漏電流（包括及柵極和漏極之間的感應(yīng)漏電流 I3）、柵極和襯底之間的隧道漏電流 I4。

一般情況下，漏電流主要是指柵極泄漏電流和亞閾值電流。對(duì)于超深亞微米工藝的，隧道漏電流成為主要電流之一。

1>在 PN 結(jié)兩端加反向電壓時(shí)，P 區(qū)空穴和 N 區(qū)電子的運(yùn)動(dòng)相反，沒(méi)有電流通過(guò)，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，部分能量較大的空穴和電子會(huì)掙脫反向電場(chǎng)的束縛而形成微弱的漂移電流。

2> 柵極泄漏功耗：在柵極上加信號(hào)后（即柵壓），從柵到襯底之間存在電容，因此在柵襯之間就會(huì)存在有電流，由此就會(huì)存在功耗。

3> 亞閾值電流：使柵極電壓低于導(dǎo)通閾值，仍會(huì)產(chǎn)生從漏極到源極的泄漏電流。此電流稱為亞閾值泄漏電流。在較狹窄的晶體管中，漏極和源極距離較近的情況下會(huì)產(chǎn)生亞閾值泄漏電流。晶體管越窄，泄漏電流越大。要降低亞閾值電流，可以使用高閾值的器件，還可以通過(guò)襯底偏置增加閾值電壓，這些也屬于低功耗設(shè)計(jì)的考慮范疇。

4>隧道漏電流：屬于量子力學(xué)范疇，感興趣的同學(xué)可自行查閱。

靜態(tài)功耗的計(jì)算公式如下：

浪涌功耗

浪涌功耗是浪涌電流引起的功耗。浪涌電流是指開(kāi)機(jī)或者喚醒時(shí)，器件流過(guò)的最大電流，因此浪涌電流也稱為啟動(dòng)電流。一般情況下，浪涌功耗不是本次所討論的內(nèi)容。

功耗模型

library 信息

下面是一種 library 工藝的前幾行代碼描述，包含功耗有關(guān)的參數(shù)，具體含義在注釋中說(shuō)明。

library (xxx) {
    /*  library head: xxx */
    technology (cmos) ;
    simulation  : true ;
    nom_process : 1 ;
    nom_temperature : -40;         //默認(rèn)溫度
    nom_voltage : 0.81;            //默認(rèn)電壓
    voltage_map(VDD, 0.81);        //定義lib中多個(gè)電壓，包括以下幾行
    voltage_map(TVDD, 0.81);
    voltage_map(VDDDST, 0.81);
    voltage_map(VDDGR, 0.81);
    voltage_map(VDDSRC, 0.81);
    voltage_map(VSS, 0);
    operating_conditions("ssg0p81vm40c"){    //一種corner定義
        process : 1; /* SSGlobalCorner_LocalMC_MOS_MOSCAP-SSGlobalCorner_LocalMC_RES_BIP_DIO_DISRES */
        temperature : -40;
        voltage : 0.81;
        tree_type : "balanced_tree";
    }
    default_operating_conditions : ssg0p81vm40c ;
    capacitive_load_unit (1,pf) ;      //定義電容單位
    voltage_unit : "1V" ;              //定義電壓?jiǎn)挝?/span>
    current_unit : "1mA" ;             //定義電流單位
    time_unit : "1ns" ;                //定義時(shí)間單位
    pulling_resistance_unit : "1kohm"; 
    define_cell_area (pad_drivers,pad_driver_sites) ;
    ……

cell 信息

一個(gè) library 中會(huì)有多個(gè)基本功能單元，用關(guān)鍵字 cell 聲明，也包含了多種的功耗信息。

cell (AN2D0BWP7T40P140) {
    area : 0.392;
    cell_footprint : "an2d1";
    pg_pin (VDD) {                //電源引腳
        pg_type : primary_power;
        voltage_name : VDD;
    }
    ……

    pin(A1) {                     //輸入信號(hào)引腳
    driver_waveform_fall : "tcbn22ullbwp7t40p140ssg0p81vm40c:fall";
    driver_waveform_rise : "tcbn22ullbwp7t40p140ssg0p81vm40c:rise";
    direction : input;
    related_ground_pin : VSS;     //輸入引腳地端
    related_power_pin : VDD;      //輸入引腳電壓
    capacitance : 0.000418924 ;   //輸入引腳電容
    …… 
    }


  pin(Z) {
    direction : output;
    power_down_function : "!VDD + VSS";
    function : "(A1 A2)";
    related_ground_pin : VSS;     //輸出引腳地端
    related_power_pin : VDD;      //輸出引腳電壓
    max_capacitance : 0.04182;    //輸出引腳最大電容
    min_capacitance : 0.00013;    //輸出引腳最小電容
    ……  
  }

此時(shí)，如果再知道翻轉(zhuǎn)率，就可以計(jì)算出動(dòng)態(tài)功耗。

翻轉(zhuǎn)率(Toggle rate，Tr)，指單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)(包括時(shí)鐘、數(shù)據(jù)等信號(hào))的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如下所示，信號(hào)在 40ns 時(shí)間內(nèi)跳轉(zhuǎn)了 4 次，則翻轉(zhuǎn)率為 Tr = 4/4ns = 0.1GHz。

內(nèi)部功耗信息

cell 定義中，內(nèi)部功耗會(huì)有如下定義。

internal_power() { 
    related_pin : "A1" ; 
    related_pg_pin : VDD ; 
    rise_power(power_template_8x8) {   //內(nèi)部功耗查找表
        index_1("0.0026, 0.0101, 0.0252, 0.0553, 0.1155, 0.236, 0.4769, 0.9587");
        index_2("0.00013, 0.00046, 0.00112, 0.00243, 0.00506, 0.01031, 0.02081, 0.04182");
        values (           "0.000249215, 0.000254481, 0.000262354, 0.000261007, 0.00026381, 0.000277799, 0.000304295, 0.000345046",           "0.000239751, 0.000248667, 0.000255454, 0.0002551, 0.000268563, 0.000275995, 0.000294669, 0.000336529",           ……   
        );
      }


    fall_power(power_template_8x8) { //內(nèi)部功耗查找表
        index_1("0.0026, 0.0101, 0.0252, 0.0553, 0.1155, 0.236, 0.4769, 0.9587");
        index_2("0.00013, 0.00046, 0.00112, 0.00243, 0.00506, 0.01031, 0.02081, 0.04182");
        values (           "0.000577367, 0.000584652, 0.000589472, 0.000591623, 0.000592223, 0.000591943, 0.00059185, 0.000592132",           "0.000563896, 0.000570743, 0.000576589, 0.000579818, 0.000580794, 0.00057962, 0.000579997, 0.000579136",           "0.000550059, 0.000555794, 0.00056188, 0.000565568, 0.000567663, 0.000567231, 0.000567712, 0.00056745",           ……   
        );
      }
}

cell 的內(nèi)部功耗與其轉(zhuǎn)換時(shí)間和輸出電容負(fù)載有關(guān)。根據(jù)輸入轉(zhuǎn)換時(shí)間和輸出電容的大小，在工藝庫(kù)中進(jìn)行查表，得到上升功耗和下降功耗，再根據(jù)下面公式進(jìn)行計(jì)算，可得到總的內(nèi)部功耗:

靜態(tài)功耗信息

cell 定義中，靜態(tài)功耗（漏電功耗）會(huì)有如下定義。

leakage_power () {
    value : 0.059561;
    related_pg_pin : VDD;
  }
  leakage_power () {
    value : 0.048082;
    when : "!A1 !A2 !Z";
    related_pg_pin : VDD;
  }
  leakage_power () {
    value : 0.053318;
    when : "!A1 A2 !Z";
    related_pg_pin : VDD;
  }
  ……

靜態(tài)功耗跟 cell 的狀態(tài)有關(guān)，也就是輸入輸出信號(hào)在不同的狀態(tài)下，功耗也會(huì)有所差異。通過(guò)狀態(tài)進(jìn)行查表，就可以得到相應(yīng)的靜態(tài)功耗了。

實(shí)際分析功耗時(shí)，不會(huì)手動(dòng)的去查找相關(guān)參數(shù)來(lái)計(jì)算功耗，因?yàn)楣ぷ髁繉⒋蟮诫y以估量。往往是借助一些功耗分析工具，提取這些標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的功耗信息進(jìn)行整合計(jì)算。