ASIC低功耗设计

三、低功耗技术

1. 功耗分析

（1）由于电容的充放电引起的动态功耗

V DD

C

l i VDD

v out

图（20）充放电转换图

如图（20）所示：PMOS 管向电容L C 充电时，电容的电压从0上升到DD V ,而这些能量来

自于电源。一部分能量消耗在PMOS 管上，而剩余的则保存在电容里。从高电压向低转换的过程中，电容放电，电容中储存的能量消耗在NMOS 管上。

我们来推导一下：考虑从低电压转换到高电压的情况，NMOS 和PMOS 不同时导通。在转换过程中电源提供的能量为C E ,而是转换后储存在电容里的能量。

⎰⎰⎰====∞∞VDD DD L out DD L out L DD VDD VDD V C dv V C dt dt dv C V dt t i E 0

002)( ⎰⎰⎰====∞∞VDD DD L out out L out out L out VDD C V C dv v C dt v dt dv C dt v t i E 02002

)( 这两个等式说明电源提供的能量只有一半储存在电容里。另一半被PMOS 管消耗掉了。

为了计算总体能量消耗，我们不得不考虑器件的翻转。如果门每秒钟翻转10−→−

f 次，那么 102

−→−=f V C P DD L dyn 10−→−f 表示能量消耗的翻转频率。

随着数字电路集成度的提高，能量问题将成为人们关注的焦点。从以上分析看出，dyn P 跟电源电压的平方成正比，因此降低供电电压对降低功耗有非常显著的意义。

但是，降低供电电压对电路性能有一定的影响，这时我们可以考虑减小有效电容和减少翻转率。电容主要是由于晶体管的门和扩散电容引起的，因此降低由于电容的充放电引起的动态功耗方法之一是将晶体管设计得尽可能小，这种方法同样对提高电路的性能有很大的帮助。

（2）短路电流引起的功耗

在实际电路中，输入波形上升和下降时间为零是不可能的。在翻转过程中，当NMOS 管和PMOS 管同时导通的时候，有限的输入信号斜率使得在瞬间产生从DD V 到GND 之间直流通

路。假设电流是三角波，而反向器的上升和下降波形是对称的，我们来计算在翻转周期的能量消耗：

peak DD sc sc peak DD sc peak DD dp I V t t I V t I V E ==+2

2 我们计算平均能量消耗

f V C f I V t P D D sc peak D D sc dp 22==

V DD

V in V out

C L I SC

图（21）短路电路示意图

短路电流的功耗同电路的翻转率是成正比，sc t 表示器件同时导通的时间, peak I 由器件的饱和电流决定，因此正比于晶体管的尺寸。峰值电流是输入和输出斜率比率的函数。

其原因说明如下：静态CMOS 反向器的输入从0变化到1，假设负载电容非常大，因此

输出信号的下降时间比输入信号的上升时间长得多。在这种情况下，在输出信号变化以前，输入信号已经完成了瞬态变化，因此NMOS 已经导通，但是输出电容来不及放电。而PMOS 的源漏电压近似为零，因此器件关闭，不传递任何电流。这种情况下，电路电流约等于0。考虑相反的情况，输出电容非常小，因此输出的下降时间比输入的上升时间要短的多。在瞬态变化时，PMOS 管的源漏电压是DD V ,从而保证了最大的短路电流。

通过分析，我们知道当输出的上升/下降时间大于输入上升/下降时间的时候，短路功耗

是最小的。从另一个方面讲，输出上升/下降时间不宜过大，否则会使电路的速度降低。

（3）静态功耗

电路消耗的静态功耗的表达式如下

DD stat stat V I P =

stat I 是电路在不翻转时的静态电流。

理想CMOS 反向器的静态电流等于0，因为PMOS 和NMOS 管不同时导通。实际的晶体管在源漏和衬底之间存在反向偏置的二极管，这个电流值是非常小可以忽略不计的。

然而节点的漏电流是由热载流子产生的，漏电流的值随节点温度上升而增大。因此有必要保持操作环境在较低的温度。

漏电流的另一个来源是晶体管的亚域值电流。当Vgs 低于域值电压时，MOS 晶体管存在源漏电流。域值电压越接近零，当Vgs=0时的漏电流就越大，消耗的静态功耗也就越大。因此域值电压不能太低，通常是大于等于0.5伏。

（4）总功耗

CMOS 反向器的总功耗由以下三部分组成：

()leak DD s peak DD DD L stat dp dyn tot I V f t I V V C P P P P ++=++=−→−102

典型的CMOS 电路，电路节点电平翻转时对负载电容地充放电功耗是主要地功耗源。完美的设计能够将短路电流功耗限定在一定的范围内，当电路处于静态即保持状态不变时功耗很小，目前可以忽略，但是在不久的将来静态功耗将面临挑战。

2. 低功耗技术方案

(1) 降低电压

从功耗的分析来看，芯片的功耗正比于芯片工作电压的平方，所以选用低电压工艺是个

很有效地解决途径。但是同时会降低工作频率，降低噪声容限，使电路的性能变差。

(2) RTL 级设计阶段是最有可能大幅度降低功耗的阶段

系统级处在设计的较高抽象层次上，具有较大的优化和选择余地，设计层次越高，优化所能达到的效果越好。在系统级上进行低功耗优化设计，它们的优化程度最大可以达到几倍。不同的RTL 结构，其功耗相差甚远。 举例来说，一个模16的计数器，以one_hot 方式（只有一位是1，其他是0）用0000000000000001表示1，000000000000010表示2，以次类推，100000000000000表示16。其好处是跳变一次只有两位寄存器发生变化，但是所用的资源比较大。用binary 方式表示，用0001表示1，0010表示2,1000表示16，只用了4位寄存器，但是跳变一次至少有两位寄存器状态改变，所以功耗几乎相等。而一个模256的计数器，one_hot 方式和以binary 编码方式，其功耗比约为5：1。

电路中的功耗主要是动态功耗, 而近年来的研究表明, 在电路中时钟信号消耗的功率占了系统功耗的很大比例(15%～ 45% ) ,因此通过减少时钟功耗将可以有效地降低电路的总功耗。降低时钟功耗可以从减少时钟信号的摆幅、降低时钟频率和简化电路结构等方面入手, 而降低时钟频率很自然地会利用双边沿触发器L 采用双边沿触发器后, 在保持原来数据处理频率的条件下, 时钟信号的频率可以减半, 由此便可导致集成电路的功耗降低。

同步设计是目前数字系统设计中最为常用的设计。因为在同步设计中，所有的时序单元均通过同一个时钟调度，因此时序上不会出现混乱。并且当前的EDA 工具对于同步电路的分