低功耗设计方法（1）——————功耗构成和类型

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1.功耗的构成——按类型分

　　低功耗按照类型分类呢，其构成主要有动态功耗、静态功耗、浪涌功耗这三种。

1）动态功耗

　　动态功耗包括：开关功耗或者称为翻转功耗、短路功耗或者称为内部功耗。

①开关功耗

　　在数字CMOS电路中，对负载电容进行充放电时消耗的功耗，比如对于下面的CMOS非门中

当Vin = 0时，上面的PMOS导通，下面的NMOS截止；VDD对负载电容Cload进行充电，充电完成后，Vout的电平为高电平。

当Vin = 1时，上面的PMOS截止，下面的NMOS导通，负载电容通过NMOS进行放电，放电完成后，Vout的电平为低电平。

这样一开一闭的变化，电源的充放电，就形成了开关功耗，开关功耗Psitch的计算公式如下所示：

 　　　　　　　　　　　　　　　　

　　在上式中，VDD为供电电压，Cload为后级电路等效的电容负载大小，Tr为输入信号的翻转率。一般情况下，信号在一个周期内平均翻转两次，即上升沿一次、下降沿一次，也就是说，Tr = 2f，因此，平均功耗就是：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Pdynamic = Vdd*Vdd*CL*f

②短路功耗

　　短路功耗也称为内部功耗，短路功耗是因为在输入信号进行翻转时，信号的翻转不可能瞬时完成，因此PMOS和NMOS不可能总是一个截止另外一个导通，总有那么一段时间是使PMOS和NMOS同时导通，那么从电源VDD到地VSS之间就有了通路，就形成了短路电流，如下面的反相器电路图所示：

 　　　  　

短路功耗Pshort的计算公式如下所示：

 　　　　　　　　　　　　　　

上式中，Vdd为供电电压，Tr为翻转率，Qx为一次翻转过程中从电源流到地的电荷量。

　　由此我们可以找到，动态功耗主要有开关功耗和短路功耗；其中开关功耗在动态功耗中占大部分比例；从上面的两个式子中我们可以看到，动态功耗主要跟电源的供电电压、翻转率、负载电容有关。

2）静态功耗

在CMOS电路中，静态功耗主要是漏电流引起的功耗，如下图所示：

 　　　　　　　　　　　　

漏电流有下面几个部分组成：

　　·PN结反向电流I1（PN-junction Reverse Current）

　　·源极和漏极之间的亚阈值漏电流I2（Sub-threshold Current）

　　·栅极漏电流，包括栅极和漏极之间的感应漏电流I3（Gate Induced Drain Leakage）

　　·栅极和衬底之间的隧道漏电流I4（Gate Tunneling）

一般情况下，漏电流主要是指栅极泄漏电流和亚阈值电流（进入超深亚微米工艺之后，隧道漏电流成为主要电流之一），因此下面就简单介绍一下这两种电流。

栅极泄漏功耗：在栅极上加信号后（即栅压），从栅到衬底之间存在电容，因此在栅衬之间就会存在有电流，由此就会存在功耗。

亚阈值电流：使栅极电压低于导通阈值，仍会产生从FET漏极到源极的泄漏电流。此电流称为亚阈值泄漏电流。在较狭窄的晶体管中，漏极和源极距离较近的情况下会产生亚阈值泄漏电流。晶体管越窄，泄漏电流越大。要降低亚阈值电流，可以使用高阈值的器件，还可以通过衬底偏置进行增加阈值电压，这些属于低功耗设计，我们在后面的低功耗设计中会进行讲解。

静态功耗的计算公式如下所示，Ileak为泄漏电流（Ipeak应该是Ileak）：

 　　　　　　　　　　　　　　　　

静态功耗往往与工艺有关，我们在第三小节中将进一步进行讨论。

　　（3）浪涌功耗

　　浪涌功耗是浪涌电流引起的功耗。浪涌电流是指开机或者唤醒的时候，器件流过的最大电流，因此浪涌电流也称为启动电流。一般情况下，浪涌功耗不是我们关注的地方，因此这里只是说明有这个功耗存在。

 

2.功耗的构成——按结构分

前面按照类型进行功耗分类，这里使用结构进行分类，也就是根据设备的结构或者设备的构成进行分类。（以SoC为例）主要分为：时钟树功耗、处理器功耗、存储器功耗、其他逻辑和IP核功耗、输入输出pad功耗。在不同的应用、设备中，这些功耗的比例不一样，但是时钟树、处理器、存储器占了绝大部分功耗，这是需要说明的。