胡学权
深圳市中兴微电子技术有限公司 江苏南京 210000
摘要：通过控制时钟的快慢和关断以及关闭部分模块来节省芯片功耗，大幅降低芯片常规应用时的功耗。
关键词：芯片 功耗 时钟 电源分区
1.引言
随着国家节能环保的要求，以及客户对电子产品功耗的要求越来越严格，芯片的功耗问题越来越受到重视。但是芯片的功能越来越复杂，功耗越来越高，很多芯片因为功耗过高，发热过大，而被市场所抛弃，芯片功耗的问题常常成为其是否成功的一个基本因素。本文提出一种方法，通过控制芯片的时钟频率和关断，以及控制芯片内部模块的电源开关，从而大幅降低芯片功耗。
2.实现方法
在数字电路中，功耗分为动态功耗和静态功耗，动态功耗是时钟翻转的瞬间，VDD与地之间形成一条通路，有一定瞬时电流，从而导致功耗产生。静态功耗是电路的静态漏电引起的功耗。而芯片的最大处理能力，都是远高于常规应用，如图1，常规系统的时钟不随待处理业务量大小而变化，从而功耗始终处于高位运行。在通讯芯片中，业务量大小体现在进入通讯芯片的数据包流量大小。数据包流量越大，系统需要处理的事越多。反之，系统需要处理的事越少。如果没有数据包进入系统，系统则不需要处理，如果此时时钟一直在高速翻转，会产生比较高的动态功耗和一定的静态功耗。
.png)
图1：常规模块的时钟
图2是本设计的原理，通过硬件动态监测进入系统的数据包流量大小，选择一个合适的时钟输出，控制输出时钟的快慢，直至关断时钟。同时根据应用场景，对系统中部分模块进行电源关断，进一步节省功耗。
.png)
图2：时钟控制原理
图3是本设计的控制效果示意图，时钟随着流量变化而变化，直至关断，而常规应用时，流量远低于系统设计峰值，所以采用该方法能大幅降低系统功耗。
图3：时钟控制效果图
另外芯片在设计时引入电源分区，当芯片工作在某些场景，系统中某些模块不需要工作，则通过电源开关将不需要工作的模块彻底关电，从而最大限度的节省功耗，被关断电源的模块既无动态功耗也无静态功耗。
.png)
图4：电源分区
3.实验结果
.png)
可以看出，随着流量的减少，功耗逐渐减少，直到接近为0。但是由于电源分区增加了一些控制电路，导致在满流量时，功耗会略微增加。在关闭时钟时，还有5%的功耗，这5%的功耗包含静态功耗和时钟检测电路的动态功耗。在关电源时，还有一些电源控制电路在工作，功耗无法完全到0。一款采用该方法的芯片，其功耗指标在业界最优。
4.总结语
功耗分为动态功耗和静态动态，本文采用了2种方法分别来对于不同的应用场景。在低功耗设计中，读者可以根据实现代价来决定采用其中1种还是2种方法。
5.参考文献：
【1】简.贝艾(Jan Rabaey)著；蒲宇 赵文峰 哈亚军 杨胜齐译.低功耗设计精解.【J】机械工业出版社，2019.11
【2】Christian Piguet.夏晓娟译.低功耗处理器及片上系统设计.[J]科学出版社，2012.7
【3】黄智伟.低功耗系统设计---原理、器件与电路.[J]电子工业出版社，2011.8