低功耗設計—功耗構成和類型圖文分享-KIA MOS管

功耗的構成——按類型分

低功耗按照類型分類，其構成主要有動態功耗、靜態功耗、浪涌功耗這三種。

1）動態功耗

動態功耗包括：開關功耗或者稱為翻轉功耗、短路功耗或者稱為內部功耗。

①開關功耗

在數字CMOS電路中，對負載電容進行充放電時消耗的功耗，比如對于下面的CMOS非門中

當Vin = 0時，上面的PMOS導通，下面的NMOS截止；VDD對負載電容Cload進行充電，充電完成后，Vout的電平為高電平。

當Vin = 1時，上面的PMOS截止，下面的NMOS導通，負載電容通過NMOS進行放電，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，就形成了開關功耗，開關功耗Psitch的計算公式如下所示：

在上式中，VDD為供電電壓，Cload為后級電路等效的電容負載大小，Tr為輸入信號的翻轉率。一般情況下，信號在一個周期內平均翻轉兩次，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

短路功耗也稱為內部功耗，短路功耗是因為在輸入信號進行翻轉時，信號的翻轉不可能瞬時完成，因此PMOS和NMOS不可能總是一個截止另外一個導通，總有那么一段時間是使PMOS和NMOS同時導通，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的計算公式如下所示：

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

由此我們可以找到，動態功耗主要有開關功耗和短路功耗；其中開關功耗在動態功耗中占大部分比例；從上面的兩個式子中我們可以看到，動態功耗主要跟電源的供電電壓、翻轉率、負載電容有關。

2）靜態功耗

在CMOS電路中，靜態功耗主要是漏電流引起的功耗，如下圖所示：

漏電流有下面幾個部分組成：

·PN結反向電流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），因此下面就簡單介紹一下這兩種電流。

柵極泄漏功耗：在柵極上加信號后（即柵壓），從柵到襯底之間存在電容，因此在柵襯之間就會存在有電流，由此就會存在功耗。

亞閾值電流：使柵極電壓低于導通閾值，仍會產生從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產生亞閾值泄漏電流。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行增加閾值電壓，這些屬于低功耗設計。

靜態功耗的計算公式如下所示，Ileak為泄漏電流（Ipeak應該是Ileak）：

靜態功耗往往與工藝有關。

（3）浪涌功耗

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

功耗的構成——按結構分

前面按照類型進行功耗分類，這里使用結構進行分類，也就是根據設備的結構或者設備的構成進行分類。

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

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