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降低功耗的设计技巧

vhe1981
vhe1981 over 14 years ago

基于CMOS的设计主要消耗三类切率:内部的(短路)、漏电的(静态的)以及开关的(电容)。当门电路瞬变时,VDD与地之间短路连接消耗内部功率。漏电功耗是CMOS工艺普遍存在的寄生效应引起的。而开关功耗则是自负载电容,放电造成的。开关功耗与短路功耗合在一起称为动态功耗。下面介绍降低静态功耗和动态功耗的设计技巧。
    降低静态功耗
    虽然静态电流与动态电流相比可以忽略不计,然而对电池供电的手持设备就显得十分重要,在设备通电而不工作时更是如此。静态电流的因素众多,包括处于没有完全关断或接通的状态下的I/O以及内部晶体管的工作电流、内部连线的电阻、输入与三态电驱动器上的拉或下拉电阻。在易失性技术中,保持编程信息也需一定的静态功率。抗熔断是一种非易失性技术,因此信息存储不消耗静态电流。
    下面介绍几种降低静态功耗的设计方法:
    驱动输入应有充分的电压电平,因而所有晶体管都是完全通导或关闭的。
    由于I/O线上的上拉或下拉电阻要消耗一定的电流,因此尽量避免使用这些电阻。
    少用驱动电阻或双极晶体管,这些器件需维持一个恒定电流,从而增加了静态电流。
    将时钟引脚按参数表推荐条件连接至低电平。悬空的时钟输入会大大增加静态电流。
    在将设计划分为多个器件时,减少器件间I/O的使用。
    eX器件LP方式引脚的使用
    Actel eX系列设计了特殊的低功率“休眠”模式。在该引脚驱动至高电平800ns后,器件进入极低功率待机模式,待机电流小于100μA。在低功率模式下,所有I/O(除时钟输入外)都处于三态,而内核全部断电。由于内核被断电,触发器中存储的信息会丢失,在进入工作模式(在引脚驱动至低平200ms后)时,用户需再次对器件初始化。同样,用户也应关闭所有通过CLKA、CLKB以及HCLK输入的时钟。然而这些时钟并不处于三态,时钟就可进入器件,从而增加功耗,因此在低功率模式下,时钟输入必须处于逻辑0或逻辑1。
    有时用户很难阻止时钟进入器件。在此场合,用户可使用与CLKA或CLKA相邻的正常输入引脚并在设计中加进CLKINT。这样,时钟将通过*近时钟引脚的正常输入进入器件,再通过CLKINT向器件提供时钟资源。
    采用这种输入电路后,由于常规I/O是三态的,因此用户不必担心时钟进入器件。当然,增加一级门电路会产生0.6ns的较大时钟延时,幸好这在多数低功率设计中是可以接受的。注意应将与CLKINT缓冲器相关的CLKA或CLKB引脚接地。
    此外还要注意,CLKINT只可用作连线时钟,HCLK并不具备将内部走线网连接到HCLK的能力,因而HCLK资源不能被常规输入驱动。换句话说,如果使用LP引脚就不能使用HCLK;使用HCLK时就应在外部截断时钟信号。
    降低动态功耗
    动态功耗是在时钟工作且输入正在开关时的功耗。对CMOS电路,动态功耗基本上确定了总功耗。动态功耗包括几个成分,主要是电容负载充电与放电(内部与I/O)以及短路电流。多数动态功率是内部或外部电容向器件充、放电消耗的。如果器件驱动多个I/O负载,大量的动态电流构成总功耗的主要部分。
    对设计中给定的驱动器,动态功耗由下式计算
    p=CL×V 2 DD×f
    式中,CL是电容负载,VDD是电源电压,f则是开关频率。总功耗是每个驱动器功耗之总和。
    由于VDD是固定的,降低内部功耗就要降低平均逻辑开关频率,减少每个时钟沿处的逻辑开关总数、减少连线网络,特别是高频信号连线网络中的电容值。对低功率设计,需要从系统至工艺的每个设计级别中采取相应预防措施,级别越高,效果越好。

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