低功耗設(shè)計(jì)—功耗構(gòu)成和類型圖文分享-KIA MOS管

功耗的構(gòu)成——按類型分

低功耗按照類型分類，其構(gòu)成主要有動(dòng)態(tài)功耗、靜態(tài)功耗、浪涌功耗這三種。

1）動(dòng)態(tài)功耗

動(dòng)態(tài)功耗包括：開關(guān)功耗或者稱為翻轉(zhuǎn)功耗、短路功耗或者稱為內(nèi)部功耗。

①開關(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，比如對(duì)于下面的CMOS非門中

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的電平為高電平。

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NMOS進(jìn)行放電，放電完成后，Vout的電平為低電平。

這樣一開一閉的變化，電源的充放電，就形成了開關(guān)功耗，開關(guān)功耗Psitch的計(jì)算公式如下所示：

在上式中，VDD為供電電壓，Cload為后級(jí)電路等效的電容負(fù)載大小，Tr為輸入信號(hào)的翻轉(zhuǎn)率。一般情況下，信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)平均翻轉(zhuǎn)兩次，即上升沿一次、下降沿一次，也就是說，Tr = 2f，因此，平均功耗就是：

Pdynamic = Vdd*Vdd*CL*f

②短路功耗

短路功耗也稱為內(nèi)部功耗，短路功耗是因?yàn)樵谳斎胄盘?hào)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)的翻轉(zhuǎn)不可能瞬時(shí)完成，因此PMOS和NMOS不可能總是一個(gè)截止另外一個(gè)導(dǎo)通，總有那么一段時(shí)間是使PMOS和NMOS同時(shí)導(dǎo)通，那么從電源VDD到地VSS之間就有了通路，就形成了短路電流，如下面的反相器電路圖所示：

短路功耗Pshort的計(jì)算公式如下所示：

上式中，Vdd為供電電壓，Tr為翻轉(zhuǎn)率，Qx為一次翻轉(zhuǎn)過程中從電源流到地的電荷量。

由此我們可以找到，動(dòng)態(tài)功耗主要有開關(guān)功耗和短路功耗；其中開關(guān)功耗在動(dòng)態(tài)功耗中占大部分比例；從上面的兩個(gè)式子中我們可以看到，動(dòng)態(tài)功耗主要跟電源的供電電壓、翻轉(zhuǎn)率、負(fù)載電容有關(guān)。

2）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，如下圖所示：

漏電流有下面幾個(gè)部分組成：

·PN結(jié)反向電流I1（PN-junction Reverse Current）

·源極和漏極之間的亞閾值漏電流I2（Sub-threshold Current）

·柵極漏電流，包括柵極和漏極之間的感應(yīng)漏電流I3（Gate Induced Drain Leakage）

·柵極和襯底之間的隧道漏電流I4（Gate Tunneling）

一般情況下，漏電流主要是指柵極泄漏電流和亞閾值電流（進(jìn)入超深亞微米工藝之后，隧道漏電流成為主要電流之一），因此下面就簡(jiǎn)單介紹一下這兩種電流。

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。

亞閾值電流：使柵極電壓低于導(dǎo)通閾值，仍會(huì)產(chǎn)生從FET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，還可以通過襯底偏置進(jìn)行增加閾值電壓，這些屬于低功耗設(shè)計(jì)。

靜態(tài)功耗的計(jì)算公式如下所示，Ileak為泄漏電流（Ipeak應(yīng)該是Ileak）：

靜態(tài)功耗往往與工藝有關(guān)。

（3）浪涌功耗

浪涌功耗是浪涌電流引起的功耗。浪涌電流是指開機(jī)或者喚醒的時(shí)候，器件流過的最大電流，因此浪涌電流也稱為啟動(dòng)電流。一般情況下，浪涌功耗不是我們關(guān)注的地方，因此這里只是說明有這個(gè)功耗存在。

功耗的構(gòu)成——按結(jié)構(gòu)分

前面按照類型進(jìn)行功耗分類，這里使用結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，也就是根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)或者設(shè)備的構(gòu)成進(jìn)行分類。

（以SoC為例）主要分為：時(shí)鐘樹功耗、處理器功耗、存儲(chǔ)器功耗、其他邏輯和IP核功耗、輸入輸出pad功耗。在不同的應(yīng)用、設(shè)備中，這些功耗的比例不一樣，但是時(shí)鐘樹、處理器、存儲(chǔ)器占了絕大部分功耗，這是需要說明的。

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