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  • 功耗

    千次阅读 2012-09-06 14:57:38
    1.功耗来源 CMOS电路中的功耗来自两个部分: a:动态功耗: (1)当门翻转时充电放电负载电容 (2)当PMOS管和NMOS管的串并联结构都部分导通时的“短路”电流。 b:静态功耗: (1)流过截至晶体管的亚阈值...

    1.功耗来源

    CMOS电路中的功耗来自两个部分:

    a:动态功耗:

    (1)当门翻转时充电放电负载电容

    (2)当PMOS管和NMOS管的串并联结构都部分导通时的“短路”电流。

    b:静态功耗:

    (1)流过截至晶体管的亚阈值泄漏电流(subthreshold leakage)。

    (2)流过栅介质的泄漏电流(gate leakage)。

    (3)源/漏扩散区的P-N结泄漏电流(junction leakage)。

    (4)在有比电路中(ratioed circuit)中的竞争电流(contention current)。

    如下图:



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  • 静态功耗与动态功耗

    万次阅读 多人点赞 2020-04-05 15:01:57
    功耗的本质是能量耗散。由能量守恒定律可知,能量只能从一种形式转成另一种形式,能量的总量不变。芯片耗散的电能主要转化成热能。如果一颗芯片的功耗过大,容易导致工作时温度过高,造成功能失效,甚至晶体管失效。...

    0. 功耗源

    功耗的本质是能量耗散。由能量守恒定律可知,能量只能从一种形式转成另一种形式,能量的总量不变。芯片耗散的电能主要转化成热能。如果一颗芯片的功耗过大,容易导致工作时温度过高,造成功能失效,甚至晶体管失效。因此,减小芯片功耗是很重要的一个任务。静态功耗以及动态功耗是两个主要的功耗源。

    1. 动态功耗

    动态功耗来源于:
    (1)当门翻转时,负载电容充电和放电,称为翻转功耗
    (2)pmos和nmos管的串并联结构都导通时的有短路电流,称为短路功耗

    1.1 翻转功耗

    翻转功耗可以用如下公式表示:
    Pswitch=αCVDD2fP_{switch}=\alpha C V_{DD}^2f
    α\alpha 称为活动因子,是电路节点从0跳变至1的概率。时钟的活动因子为1,因为它在每个周期都有上升和下降。大多数数据的活动因子为0.5,每周期只跳变一次。
    C称为负载电容。
    有以下办法可以降低翻转功耗:
    (1)使用门控时钟
    降低活动因子是降低功耗的非常有效的办法,如果一个电路的时钟完全关断,那么它的活动因子和动态功耗将降为0。Verilog在设计寄存器时采用下面写法可以综合成一个带门控的寄存器。

    input reg d;
    always @(posedge clk or negedge resetn) begin
        if(~resetn) 
            q<= 1'b0;
        else if(enable)
            q<= d;
    end
    

    (2) 减小毛刺
    毛刺会增大活动因子,有可能使门的活动因子增加到1以上。

    (3)减小负载电容
    电容来自于电路中的连线以及晶体管。缩短连线长度,良好的平面规划和布局可以使连线电容减小。选择较小的逻辑级数以及较小的晶体管可以减小器件的翻转电容。

    (4)电压域
    动态功耗与电压有平方的关系,降低电源电压可以显著降低功耗。将芯片划分成多个电压域,每个电压域可以根据特定电路的需要进行优化。例如,对于存储器采用高电源电压来保证存储单元的稳定性,对于处理器采用中等大小的电压,对运行速度较低的IO外围电路采用低电压。解决跨电压域信号传输的方法是使用电平转换器

    (5)动态电压调整DVS
    CPU处理不同的任务有不同的性能要求。对于低性能要求的任务,可以使时钟频率降低到足以按预定时间完成任务的最低值,然后使电压降低到该频率下工作所需要的最小值就可以节省大量的能耗。

    在这里插入图片描述

    (6)降低频率
    动态功耗正比于频率,芯片只应当工作在所要求的频率下,不能比所要求的还要快。由前面小结可以,降低频率还可以采用较低的电源电压,大大降低功耗。

    (7)谐振电路
    谐振电路通过使能量在储能元件如电容或电感之间来回传送而不是将能量泄放到来减小翻转功耗。

    1.2 短路功耗

    短路功耗发生在当输入发生翻转时,上拉和下拉网络同时部分导通的时候。如果输入信号翻转速率比较慢,那这两个网络将同时导通较长的一段时间,短路功耗也会比较大,增大负载电容可以减小短路功耗,原因是负载较大时,输出在输入跳变期间只翻转变化很小的一个量。

    短路电流一般为负载电流的10%。当输入边沿变化速度很快时,短路功耗一般只占翻转功耗的2%-10%。

    2. 静态功耗

    静态功耗主要来源于:
    (1)流过截止晶体管的亚阈值泄漏电流(subthreshold leakage)
    (2)流过栅介质的泄漏电流(gate leakage)
    (3)源漏扩散区的p-n节泄漏电流(junction leakage)
    (4)在有比电路中的竞争电流

    在这里插入图片描述

    2.1 亚阈值泄漏电流

    亚阈值泄漏电流是晶体管应当截止时流过的电流。在90nm节点之前,泄漏功耗主要在休眠模式下才考虑,这是因为它与动态功耗相比可以忽略不计。但是在低阈值电压和薄栅氧的纳米工艺中,泄漏电流占到总工作功耗的1/3。

    亚阈值泄漏电流与多种因素有关。提高源极电压或应用一个负的体电压可以减小泄漏。泄漏电流还与温度有关,限制芯片温度对于控制泄漏至关重要。另外,通过两个或更多个串联晶体管的泄漏电流会应堆叠效应(stack effect)而大大减小。例如两输入与非门,两个NMOS堆叠在一起。

    2.2 栅泄漏电流

    栅极泄漏电流发生在一个电压加到栅上时(例如当门导通时)载流子遂穿通过薄栅介质的情况下。泄漏电流与介质厚度有极强的关系。工艺中通过选择合适厚度的介质将栅泄漏电流限制到一个可接受的水平上。泄漏电流还取决于栅极电压。通过使晶体管堆叠起来并使截止晶体管靠近电源/地线可以使栅泄漏电流减小。

    2.3 结泄漏电流

    结泄漏电流发生在源或漏扩散区处在与衬底不同电位的情况下。结泄漏电流与其他泄漏电流相比时通常都很小。

    2.4 竞争电流

    静态CMOS电路没有任何竞争电流,但其他某些电路甚至在静态时本身就会吸取电流。电流模式逻辑和许多模拟电路也会吸取静态电流。这样的电路应该在休眠模式时通过禁止上拉或电流源工作来关断他们。

    2.5 降低静态功耗办法

    (1)电源门控
    减小静态电流最容易的方法就是关断休眠模块的电源。这一技术称为电源门控。
    (2) 多种阈值电压和栅氧厚度
    有选择的应用多种阈值电压可以使具有低Vt晶体管保持性能而又使具有高Vt晶体管的其他路径减少泄漏。
    大多数纳米工艺的逻辑管采用薄栅氧,IO晶体管采用厚的多的栅氧以使它们能够承受较大的电压。
    (3)可变阈值电压
    通过体效应可以调制阈值电压。在休眠模式下应用一个反向体偏置减小泄漏。在工作模式下利用一个正向体偏置来提高性能。
    (4)输入向量控制
    由前面可知,堆叠效应和输入排序会引起亚阈值泄漏和栅泄漏的变化。因此,一个逻辑模块的泄漏与门的输入有关。输入向量控制是当模块置于休眠模式时,应用一组输入图案使模块的泄漏最小。这些输入向量可以通过寄存器上的置位/复位输入端或通过扫描链加入。

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  • 超低功耗MCU如何降低功耗

    千次阅读 2020-11-12 14:23:03
    功耗是MCU的一项非常重要的指标,比如某些可穿戴的设备,其携带的电量有限,如果整个电路消耗的电量特别大就会经常出现电量不足的情况。 平时我们在做产品的时候,基本的功能实现很简单,但只要涉及到关于低功耗的...

    低功耗是MCU的一项非常重要的指标,比如某些可穿戴的设备,其携带的电量有限,如果整个电路消耗的电量特别大就会经常出现电量不足的情况。

    平时我们在做产品的时候,基本的功能实现很简单,但只要涉及到关于低功耗的问题就比较棘手了,比如某些可以低到微安级的MCU微控制器,而自己设计的低功耗怎么测都是毫安级的,电流竟然能够高出标准几百到上千倍,遇到这种情况干万不要怕,只要认真你就赢了。接着仔细分析一下这其中的原因。

    (1)掐断外设命脉,关闭外设时钟。
    先说最直观的,也是工程师都比较注意的方面,就是关闭MCU微控制器的外设时钟,对于现在市面上出现的大多数的MCU微控制器,其外设模块都对应着一个时钟开关。只需要打开这个外设的时钟,就可以正常的使用这个外设了,当然此外设也就会产生相应的功耗;如果想要让这个外设不产生功耗的话,只需要关闭它的时钟就可以了。

    ( 2)让工作节奏慢下来,时钟不要倍频。除了外设模块功率消耗之外,还有一个功耗大户需要注意一下,这就是PLL和 FLL模块。PLL和FLL主要是用来对原始的时钟信号进行倍频操作,从而提高系统的整体时钟,其功耗也会被提上去。所以在进入低功耗之前,需要切换时种模式,旁路掉PLL和 FLL模块,从而尽可能的降低MCU的功耗,等到MCU唤醒之后再把时钟切换回去。

    ( 3)围堵涓涓细流,注意IO口的电平状态。如果认为只要关闭外设时钟就能够保证外设不再耗电,那么你就太天真了。如果 IO口没有做好处理的话,它就会在暗地里偷走功耗,而你却浑然不知。具体原因是这样的,一般的IO的内部或者外部都会有上下拉电阻,假如某个IO口有个10K 的上拉电阻,把引脚拉到3.3 V,然而当MCU进入低功耗模式的时候,此IO口被设置成输出低电平,根据欧姆定律,此引脚就会消耗3.3 V/10 K = 0.33 mA的电流,假如有四、五个这样的IO口,那么几个mA就贴进去了。所以在进入低功耗之前,请逐个检查IO口的状态。
    如果此IO口带下拉,请设置为低电平输出或者高阻态输入。不要把上好的电流浪费在产生热量的功能上。

    (4)睦邻友好的合作,要注意1O 与外设IC的统筹。
    IO口的上下拉电阻消耗电流这一因素相对比较明显,下边咱来说一个不明显的因素:IO口与外部IC相连时的电流消耗。假如某个IO口自带上拉,而此与IO相连的IC引脚偏偏是自带下拉的,那么无论这个引脚处于什么样的电平输出,都不可避免的产生一定的电流消耗。所以凡是遇见这-类的情况,首先需要阅读外设IC的手册,确定好此引脚的的状态,做到心中有数;然后在控制单片机MCU睡眠之前,设置好MCU的IO口的上下拉模式及输入输出状态,要保证一丝儿电流都不要被它消耗掉。

    ( 5)断开调试器连接,不要被假象所迷惑。还有一类比较奇特,检测出来的电流消耗很大,可实际结果是自己杞人忧天,原因是因为在测试功耗的时候MCU还连接着调试器。这时候大部分电流就会被调试器给掳走,平白无故的让工程师产生极度郁闷的心情。所以在测低功耗的时候,一定不要连接调试器,更不能边调试边测电流。

    MCU的低功耗设计是一个细致活,要养成良好的习惯,做到每添加一个功能都要重新验证一下低功耗是否符合要求,这样就可以随时随地减少损耗功率的因素。如果把所有功能都设计好了才去考虑低功耗的问题,一个不小心就可能要更改程序的架构,即便如此也不一定能把功耗给彻底降下去。

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  • 一、功耗管理 低功耗 概述 TencentOS tiny提供了多级低功耗管理框架。初级低功耗的方案是,当系统处于“空闲”状态,也即进入idle任务时,系统调用处理器(目前支持的架构是arm v7m)低功耗接口进入短暂的睡眠...

    一、功耗管理

    1. 低功耗

    概述

    TencentOS tiny提供了多级低功耗管理框架。初级低功耗的方案是,当系统处于“空闲”状态,也即进入idle任务时,系统调用处理器(目前支持的架构是arm v7m)低功耗接口进入短暂的睡眠模式。

    API讲解

    编程实例

    对于初级低功耗模式,无需用户编写任何代码,直接通过在tos_config.h打开TOS_CFG_PMR_MGR_EN开关即可:

    #define TOS_CFG_PWR_MGR_EN 1u

    源码链接:Git
    详情操作还是查阅《TencentOS-tiny 功耗管理 (二十 二)- tickless(低功耗)》文章,链接

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