ADI技術(shù)文章：為什么我的處理器漏電？

作者：Abhinay Patil

問(wèn)：為什么我的處理器功耗大于數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的值？

答：在我的上一篇文章中，我談到了一個(gè)功耗過(guò)小的器件——是的，的確有這種情況——帶來(lái)麻煩的事情。但這種情況很罕見(jiàn)。我處理的更常見(jiàn)情況是客戶抱怨器件功耗大于數(shù)據(jù)手冊(cè)所宣稱的值。

記得有一次，客戶拿著處理器板走進(jìn)我的辦公室，說(shuō)它的功耗太大，耗盡了電池電量。由于我們?cè)湴恋匦Q該處理器屬于超低功耗器件，因此舉證責(zé)任在我們這邊。我準(zhǔn)備按照慣例，一個(gè)一個(gè)地切斷電路板上不同器件的電源，直至找到真正肇事者，這時(shí)我想起不久之前的一個(gè)類似案例，那個(gè)案例的“元兇”是一個(gè)獨(dú)自掛在供電軌和地之間的LED，沒(méi)有限流電阻與之為伍。LED最終失效是因?yàn)檫^(guò)流，還是純粹因?yàn)樗X(jué)得無(wú)聊了，我不能完全肯定，不過(guò)這是題外話，我們暫且不談。從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，我做的第一件事是檢查電路板上有無(wú)閃閃發(fā)光的LED。但遺憾的是，這次沒(méi)有類似的、昭示問(wèn)題的希望曙光。另外，我發(fā)現(xiàn)處理器是板上的唯一器件，沒(méi)有其他器件可以讓我歸咎責(zé)任?？蛻艚酉聛?lái)拋出的一條信息讓我的心情更加低落：通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，他發(fā)現(xiàn)功耗和電池壽命處于預(yù)期水平，但把系統(tǒng)部署到現(xiàn)場(chǎng)之后，電池電量快速耗盡。此類問(wèn)題是最難解決的問(wèn)題，因?yàn)檫@些問(wèn)題非常難以再現(xiàn)“第一案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)”。這就給數(shù)字世界的問(wèn)題增加了模擬性的無(wú)法預(yù)測(cè)性和挑戰(zhàn)，而數(shù)字世界通常只是可預(yù)測(cè)的、簡(jiǎn)單的1和0的世界。

在最簡(jiǎn)單意義上，處理器功耗主要有兩方面：內(nèi)核和I/O。當(dāng)涉及到抑制內(nèi)核功耗時(shí)，我會(huì)檢查諸如以下的事情：PLL配置/時(shí)鐘速度、內(nèi)核供電軌、內(nèi)核的運(yùn)算量。有多種辦法可以使內(nèi)核功耗降低，例如：降低內(nèi)核時(shí)鐘速度，或執(zhí)行某些指令迫使內(nèi)核停止運(yùn)行或進(jìn)入睡眠/休眠狀態(tài)。如果懷疑I/O吞噬了所有功耗，我會(huì)關(guān)注I/O電源、I/O開(kāi)關(guān)頻率及其驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。

我能探究的只有這兩個(gè)方面。結(jié)果是，問(wèn)題同內(nèi)核方面沒(méi)有任何關(guān)系，因此必然與I/O有關(guān)。這時(shí)，客戶表示他使用該處理器純粹是為了計(jì)算，I/O活動(dòng)極少。事實(shí)上，器件上的大部分可用I/O接口都沒(méi)有得到使用。

“等等！有些I/O您沒(méi)有使用。您的意思是這些I/O引腳未使用。您是如何連接它們的？”

“理所當(dāng)然，我沒(méi)有把它們連接到任何地方！”

“原來(lái)如此！”

這是一個(gè)令人狂喜的時(shí)刻，我終于找到了問(wèn)題所在。雖然沒(méi)有沿路尖叫，但我著實(shí)花了一會(huì)工夫才按捺住興奮之情，然后坐下來(lái)向他解釋。

典型CMOS數(shù)字輸入類似下圖：

圖1.典型CMOS輸入電路（左）和CMOS電平邏輯（右）

當(dāng)以推薦的高(1)或低(0)電平驅(qū)動(dòng)該輸入時(shí)，PMOS和NMOS FET一次導(dǎo)通一個(gè)，絕不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。輸入驅(qū)動(dòng)電壓有一個(gè)不確定區(qū)，稱為“閾值區(qū)域”，其中PMOS和NMOS可能同時(shí)部分導(dǎo)通，從而在供電軌和地之間產(chǎn)生一個(gè)泄漏路徑。當(dāng)輸入浮空并遇到雜散噪聲時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。這既解釋了客戶電路板上功耗很高的事實(shí)，又解釋了高功耗為什么是隨機(jī)發(fā)生的。

圖2.PMOS和NMOS均部分導(dǎo)通，在電源和地之間產(chǎn)生一個(gè)泄漏路徑

某些情況下，這可能引起閂鎖之類的狀況，即器件持續(xù)汲取過(guò)大電流，最終燒毀?？梢哉f(shuō)，這個(gè)問(wèn)題較容易發(fā)現(xiàn)和解決，因?yàn)檠矍暗钠骷诿盁?，證據(jù)確鑿。我的客戶報(bào)告的問(wèn)題則更難對(duì)付，因?yàn)楫?dāng)您在實(shí)驗(yàn)室的涼爽環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，它沒(méi)什么問(wèn)題，但送到現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，就會(huì)引起很大麻煩。

現(xiàn)在我們知道了問(wèn)題的根源，顯而易見(jiàn)的解決辦法是將所有未使用輸入驅(qū)動(dòng)到有效邏輯電平（高或低）。然而，有一些細(xì)微事項(xiàng)需要注意。我們?cè)倏磶讉€(gè)CMOS輸入處理不當(dāng)引起麻煩的情形。我們需要擴(kuò)大范圍，不僅考慮徹底斷開(kāi)/浮空的輸入，而且要考慮似乎連接到適當(dāng)邏輯電平的輸入。

如果只是通過(guò)電阻將引腳連接到供電軌或地，應(yīng)注意所用上拉或下拉電阻的大小。它與引腳的拉/灌電流一起，可能使引腳的實(shí)際電壓偏移到非期望電平。換言之，您需要確保上拉或下拉電阻足夠強(qiáng)。

如果選擇以有源方式驅(qū)動(dòng)引腳，務(wù)必確保驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)所用的CMOS負(fù)載足夠好。若非如此，電路周圍的噪聲可能強(qiáng)到足以超過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，迫使引腳進(jìn)入非預(yù)期的狀態(tài)。

我們來(lái)研究幾種情形：

1.在實(shí)驗(yàn)室正常工作的處理器，在現(xiàn)場(chǎng)可能莫名重啟，因?yàn)樵肼?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合到?jīng)]有足夠強(qiáng)上拉電阻的RESET（復(fù)位）線中。

圖3.噪聲耦合到帶弱上拉電阻的RESET)引腳中，可能引起處理器重啟

2.想象CMOS輸入屬于一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的情況，該柵極驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)高功率MOSFET/IGBT，后者在應(yīng)當(dāng)斷開(kāi)的時(shí)候意外導(dǎo)通！簡(jiǎn)直糟糕透了。

圖4.噪聲過(guò)驅(qū)一個(gè)弱驅(qū)動(dòng)的CMOS輸入柵極驅(qū)動(dòng)器，引起高壓總線短路

表1. ADSP-SC58x/ADSP-2158x設(shè)計(jì)人員快速參考

另一種相關(guān)但不那么明顯的問(wèn)題情形是當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升/下降非常慢時(shí)。這種情況下，輸入可能會(huì)在中間電平停留一定的時(shí)間，進(jìn)而引起各種問(wèn)題。

圖5.CMOS輸入的上升/下降很慢，導(dǎo)致過(guò)渡期間暫時(shí)短路

我們已經(jīng)在一般意義上討論了CMOS輸入可能發(fā)生的一些問(wèn)題，值得注意的是，就設(shè)計(jì)而言，有些器件比其他器件更擅長(zhǎng)處理這些問(wèn)題。例如，采用施密特觸發(fā)器輸入的器件能夠更好地處理具有高噪聲或慢邊沿的信號(hào)。

我們的一些最新處理器也注意到這種問(wèn)題，并在設(shè)計(jì)中采取了特殊預(yù)防措施，或發(fā)布了明確的指南，以確保運(yùn)行順利。例如，ADSP-SC58x/ADSP-2158x數(shù)據(jù)手冊(cè)清楚說(shuō)明了有些管腳具有內(nèi)部端接電阻或其他邏輯電路以確保這些管腳不會(huì)浮空。

最后，正如大家常說(shuō)的，正確完成所有收尾工作很重要，尤其是CMOS數(shù)字輸入。

參考文獻(xiàn)：

ADSP-SC58X/ADSP-2158X: SHARC+ Dual Core DSP with ARM Cortex-A5 data sheet. Analog Devices, Inc., 2017.

ADSP-SC58X/ADSP-2158X：帶ARM Cortex-A5的SHARC+雙核DSP數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADI公司，2017年。

Patil, Abhinay.?“Burned by Low Power? When Lower Current Consumption Can Get You Into Trouble.” Analog Dialogue, Vol. 51, 2017.

Patil，Abhinay?！暗凸臅?huì)燒毀器件？低電流損耗也可能帶來(lái)麻煩?！薄赌M對(duì)話》，第51卷，2017年。

Abhinay Patil [abhinay.patil@analog.com]于2003年加入ADI公司，現(xiàn)在印度班加羅爾任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。他擁有電子通信工程學(xué)士學(xué)位。