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这是集成电路物理设计的第四个系列【Power】的第三篇文章,本篇文章主要介绍Dynamic Power相关内容:
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什么是Dynamic Power?
动态功耗(Dynamic Power):晶体管在翻转跳变过程中引起的功耗,包括动态翻转功耗(Switching Power)和短路功耗(ShortCircuit Power)。
动态翻转功耗(Switching Power):CMOS逻辑门输出电平发生翻转时对负载等效电容(输出节点晶体管电容,输出互联线电容,被驱动门输入电容)充放电产生的功耗。这部分功耗包括:output switching power和internal switching power。
Output Switching Power和cell type无关,主要取决于cell输出的有效负载电容(输出节点晶体管电容,输出互联线电容,被驱动门输入电容),翻转概率和电压大小。
Internal Switching Power的大小不仅和cell的内部节点有效电容,内部节点翻转概率,电源电压大小有关,还和cell type有关系。internal power大小一般通过.lib文件获得(internal power还包含shortcircuit power)。
短路功耗(ShortCircuit Power):在输入信号翻转过程中,会存在PMOS和NMOS短时间同时导通的状态,从而形成一条从VDD到GND的直流通路,该通路产生的功耗为短路功耗。短路功耗一般包含在internal power中,通过.lib计算查找得到。
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如何计算Switching Power?
以反相器为例,当输入从高电压到低电压时,PMOS开启,VDD向负载电容充电,负载电容电压从0升高到VDD,此时从VDD上获取的能量为EVDD=CL*VDD*VDD,存储在负载电容上的能量为Ec=0.5*CL*VDD*VDD,PMOS器件消耗的能量为Ep=0.5*CL*VDD*VDD。
当输入从低电压到高电压时,NMOS开启,负载电容通过NMOS器件放电到GND,负载电容电压从VDD变为0,此时存储在负载电容上的能量全部释放,NMOS器件消耗的能量为负载电容释放的能量En=Ec=0.5*CL*VDD*VDD。
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如何计算ShortCircuit Power?
以反相器为例,理想短路功耗的理论计算方法。
短路功耗计算公式:Psc=Isc*VDD 或者 Psc=VDD*Tr*Qx (Tr: 翻转率,Qx:一次翻转从电源到地的电荷量)。
短路功耗电容模型计算公式:Psc=Csc*VDD*VDD
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如何计算Pass Transistor Switching Power?
以NMOS pass-transistor为例,计算Switchig Power。
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电压源模型和电流源模型计算Switching Power对比
电压源模型(NLDM):通过恒定电压对负载电容进行充电。该模型缺点是电阻R阻值大小会影响电阻上功耗的大小而不是固定值0.5*C*V*V。
电流源模型(CCS):通过恒定电流源模型对负载电容进行充电。该模型考虑了电阻上功耗的大小受阻值R大小的影响,相比于电压源模型更准确。并且随着充电时间的增加,电阻消耗的功耗降低。
电压源模型和电流源模型对比:
当充电时间T>2RC时,电流源模型计算的功耗小于电压源模型计算的功耗。
当计算电压源模型输出电压在0%-90%时,充电时间约等于2.3RC。
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如何优化Dynamic Power?
ShortCircuit Power的优化
降低电源电压可以降低短路功耗。
短路功耗对Vth/VDD敏感性很强,Vth增加可以降低短路功耗。
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参考文献
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