芯片功耗分析

接下去要做一款芯片的数字部分的功耗分析，方便模拟部分设计ldo的驱动能力。所以先基本了解功耗分析的基础知识。

为什么要降低芯片功耗

1. 芯片封装都较小，如果功耗过大，则能量密度太大
2. 功耗影响到芯片内部甚至外部的电源网络架构设计
3. 高功率带来温度提升，会使性能受影响，时序跑不高

功耗产生原理

漏电功耗：非理想漏电流产生的功耗（例如MOS管关断时，仍然有微小电流存在）
内部功耗：寄生参数充放电产生的功耗
翻转功耗：晶体管负载充放电带来的功耗

其中漏电功耗是静态功耗，内部功耗和翻转功耗是动态功耗。

漏电功耗组成

漏电功耗主要包括三个部分：

• 亚阈值电流：CMOS的G级为0时，管子处于截至状态，S和D之间存在微量漏电流。
• 栅极隧穿电流：CMOS的工艺越来越小后，G极的SIO2越来越薄，当薄至和电子，空穴的德布罗意波的波长近似时，电子会击穿栅极，产生栅漏电流。
• 反偏PN节电流：扩散层与衬底之间的漏电电流（非目前主流因素）

内部功耗组成

内部功耗主要由两个部分组成：

• 短路电流：CMOS管翻转过程中，pMOS和nMOS同时导通产生的电流，大小与输入信号slew和晶体管负载有关。
• 输入端口电流：晶体管输入发生翻转，但是输出来改变，但此时输入信号翻转仍会导致内部产生功耗。

翻转功耗

最常见的功耗，信号翻转产生的功耗。 主要和互联寄生参数和晶体管输入寄生参数有关。

电路功耗计算模型

漏电功耗计算

标准单元、宏单元的漏电功耗根据时序库（Timing library）文件中的“leakage power“查表与duty计算得出。

查找表内容包括： average leakage power 、 state dependent table

漏电功耗与input的duty有关，和output的toggle rate无关

内部功耗计算

根据timing library中cell的internal_power查表与duty和toggle rate计算

查找表内容包括：
Input和output的internal_power

内部功耗与input信号slew和output的load强相关，与toggle rate有关

翻转功耗计算

P=0.5 * C *VDD^2 * f

具体分析

下面拿二输入与非门举例如何计算总功耗

• 可以根据input的duty和查表得到的不同状态下的leakage_power来计算总漏电功耗，如下图。
  
• 根据查表得到的rise_power和fall_power可以和toggle rate计算得到input和output的internal_power，如下图
  
  
• 最后翻转功耗根据公式计算可得，最后的总功耗如下：

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