硬件系统的低功耗设计分析_张武斌.pdf

14 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计0 引言 近年来硬件系统的信息处理能力和算力都在显著提升，硬件设备的集成度也在不断提高，电子行业产品的发展趋势是具备更小的体积和更强的信息处理能力。然而这些性能在提升的同时也带来了一个问题，那就是系统功耗的不断上升。如果一个系统一直在高功耗的工作状态下运行，会产生诸多负面效果，从而降低系统整体的可靠性和稳定性。如何解决这个问题，成为许多设计人员的重要任务。1 硬件系统功耗的特点电子系统的硬件功耗。功耗（Power）与能量（Energy）是两个完全不同的概念。功耗是一个瞬时的概念，而能量描述的是一段时间内的累计消耗。功耗是功率的损耗，指电子系统、电力系统等输入功率和输出功率之间的差额，它们之间的关系式为：功耗=输入功率-输出功率。在硬件系统中，功耗通常会以元器件、PCB整板、连接线束、接插件上耗散热能的形式表现出来。功耗的单位为W，瓦特是国际单位制中的功率单位，W的定义是1J/s，即每秒转换、使用或耗散的能量的多少，这里的能量用焦耳来量度。在电学单位制中，功耗的单位也可以写作伏特乘安培（1VA）。几组公式是关于功耗定量计算最常用的表达式，通过这几组式子也可以加深我们对功耗这个概念的理解。（1）功耗和能量、时间之间的关系为式（1）。P=W/t （1）其中，P代表系统功耗，W代表系统在一段时间内消耗掉的能量，t代表系统工作时间。（2）功耗和电压、电流之间的关系为式（2）所示。P=UI （2）其中，P代表系统功耗，U代表工作电压，I代表工作电流。（3）功耗在纯电阻电路中的关系为式（3）。P=I2R=(U2)/R （3）其中，P代表系统功耗，U代表工作电压，I代表工作电流，R代表系统总的电阻值。硬件系统功耗的种类与来源。想要进行低功耗设计，就需要了解功耗的分类和来源。硬件系统的功耗可以分为动态功耗、静态功耗和浪涌功耗。随着半导体技术的进步，目前多数硬件电路内部采用的是MOS管工艺器件，MOS管器件在功耗特性上是优于TTL器件的，但依旧会不可避免地产生系统功耗。2 硬件系统的功耗的种类 硬件系统的功耗的种类如图1所示。2.1 动态功耗动态功耗是指整个系统开始工作，芯片内部开始运行程序时产生的功耗。如果对动态功耗再进行细分，可以分为开关功耗和短路功耗，有的文献中也把开关功耗称为翻转功耗。开关功耗是在硬件系统中，当逻辑器件的门进行翻转时，电源会对负载电容充电和放电，产生开关电流，这个过程中消耗的功耗称为翻转功耗；短路功耗是在输入信号进行翻转时，信号的翻转不可能瞬时完成，因此在系统中PMOS管和NMOS管不可能总是一个截止另外一作者简介：张武斌，上海司南卫星导航技术股份有限公司，工程师；研究方向：硬件电路、电子系统设计。收稿日期：2022-12-04；修回日期：2022-12-23。摘要：阐述硬件系统中的功耗的种类，包括动态功耗、静态功耗、浪涌功耗，探讨硬件系统中的低功耗策略，硬件低功耗设计、软件低功耗设计。关键词：低功耗策略，动态功耗，静态功耗，浪涌功耗，软件低功耗。中图分类号：TN710.2 文章编号：1674-2583(2023)01-0014-04DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.005文献引用格式：张武斌.硬件系统的低功耗设计分析J.集成电路应用,2023,40(01):14-17.硬件系统的低功耗设计分析张武斌（上海司南卫星导航技术股份有限公司，上海 201801）Abstract This paper describes the types of power consumption in hardware systems,including dynamic power consumption,static power consumption,surge power consumption,and discusses the low-power strategy in hardware systems,hardware low-power design,and software low-power designIndex Terms low power consumption strategy,dynamic power consumption,static power consumption,surge power consumption,software low power consumption.Analysis of Low-power Design of Hardware SystemZHANG Wubin（ComNav Technology Co.,Ltd.,Shanghai,201801,China.）集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 15Research and Design 研究与设计个导通，总有那么一段时间是使PMOS管和NMOS管同时导通的，那么从电源到地之间就有了通路，就形成了短路电流，这个过程中消耗的功耗称为短路功耗。图2所示为一个硬件系统中代表性的电路结构：使用PMOS管和NMOS管搭建的推挽电路。这里可以很形象地看出在电路工作的时候，开关电流和短路电流产生的方式和最终路径。硬件电路中使用PMOS管和NMOS管组合工作的电路非常多，工作原理也和图2很类似。因此，在电路中，这种功耗是普遍存在的。2.2 静态功耗静态功耗是指硬件系统在待机状态时产生的功耗，这是由于器件漏电流的存在而引起的。静态功耗主要来源于系统待机时固有电阻的电流功耗、半导体器件内部PN节的反向电流、MOS管器件的源极和漏极之间的亚阈值漏电流、MOS管器件的栅极漏电流、MOS管器件的栅极和衬底之间的隧道漏电流等。2.3 浪涌功耗浪涌功耗是指硬件系统启动瞬间所产生的功耗。类似的场景例如开机，唤醒系统等，此时启动电流会比较大，产生浪涌功耗。这种功耗的产生，多数是由于刚开机的时候，电源会给电路中的大容量电容充电所造成的。因为，电容在刚充电的瞬间内部接近短路，阻抗非常小，会导致充电电流较大。这个过程中主要产生的浪涌电流也被称为启动电流。图3所示为理想电容器充电和放电阶段的曲线图，其中Uc和Ic分别代表电容上的电压和流过的电流。我们可以看出在对电容刚开始充电的一瞬间，电流值是非常大的，随后则会慢慢降低。3 硬件系统低功耗的设计策略通过上述分析，我们了解到了硬件系统功耗的概念、种类和主要来源。接下来我们从系统高功耗的弊端和低功耗的必要性两个角度来继续分析关于图1 硬件系统的功耗的种类图图2 硬件系统中的开关电流和短路电流图16 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计硬件系统设计中的功耗问题。3.1 高功耗的弊端功耗的本质就是能量耗散。我们根据能量守恒定律可以知道：能量只能从一种形式转成另一种形式，而能量的总量保持不变。在硬件系统中，耗散掉的电能主要转化成为热能。如果整个系统的功耗过大，会产生诸多问题：（1）高功耗会降低系统的可靠性。系统在正常工作时如果温度过高，会导致芯片、电子器件、晶体管等的功能失效；（2）高功耗会降低系统的续航时间。目前很多电子产品采用了锂电池作为能源，自身电源的续航能力有限。如果系统功耗越高，则续航能力就会越差，这将严重影响产品的性能和竞争力。（3）高功耗会增加系统设计的成本。系统的功耗越大，产生热量的速度就越快。这个时候就需要通过加大PCB器件封装的面积、对整机结构做特殊导热处理等措施来保证散热效果。这些需求迫使工程师不得不选型高成本大封装的器件甚至是功率器件，也增加了的生产部门的工艺工序。这些工作都会直接提升产品的研发制造成本。3.2 低功耗的必要性低功耗技术就是一系列降低功耗的技术。通过上面的分析我们发现了高功耗的弊端，如果我们充分挖掘产品的设计空间，将系统的功耗从根源上降低，就能直接提升产品的性能。接下来我们详细分析一下低功耗设计的思路，下面的方法可以有效地降低产品的总功耗，最终让我们的产品更加优秀。4 硬件系统中的低功耗设计技术硬件系统的低功耗设计可以从两个方面来入手。一方面是从硬件电路设计角度来进行低功耗设计，另外一个方面是从系统处理器的软件代码层面来进行低功耗设计。4.1 硬件低功耗设计从硬件角度考虑低功耗设计是很常见的思路，也是非常有效的方法。硬件低功耗设计可以从半导体器件选型和设计、芯片选型和设计、处理器选型和设计、电源电路设计等方向来考虑入手。（1）半导体器件选型和设计。硬件设计中的一个关键步骤就是进行合理的器件选型。通过上面的分析我们可以了解到，很多功耗是器件工作时候产生的，因此选择低功耗的器件，是一个很重要的方法。对于半导体器件我们要去尽量选择MOS管器件而不是三极管器件。因为MOS本质上是压控性器件，一旦导通，消耗的电流将会忽略不计；但是三极管器件属于流控性器件，工作的时候需要电流驱动，因此一定会有一个电流流过，造成了功耗产生。另外即使我们选择了MOS管，也要注意不用时不要悬空，而是通过上拉或者下拉电阻给定一个固定的电平值，这样可以防止外界干扰造成的MOS开关翻转，从而避免不需要的开关功耗产生。（2）芯片选型和设计。凡是过电流的芯片必定会消耗能量，因此需要仔细考量该芯片的功耗能否被我们接受。首先我们要仔细阅读芯片手册，查看额定功耗和静态漏电流的情况，有条件时最好实际测试。例如，一般的芯片漏电流为微安（单位A）级别甚至是更低的纳安（单位nA）级别，这是一个正常的电流区间。如果芯片的漏电流值超过此区间，就需要仔细权衡了，因为这种设计会造成较高的功耗。同理，也要注意芯片的个别管脚，尤其是输入管脚在不用时不要悬空，而是通过上拉或者下拉电阻给定一个固定的电平值，因为芯片内部本质上也是无数个MOS管工艺所制成的，芯片的很多引脚也相当于MOS管的引脚结构。（3）处理器选型和设计。在硬件系统中，处理器所占的功耗是极大的一部分。对于处理器来讲，图3 理想电容器充放电电压、电流曲线图 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 17Research and Design 研究与设计它的功耗是内核功耗和管脚功耗的总和。可以采取如下手段来选型设计。（1）在满足产品性能要求的前提下尽量选择主频比较低的处理器。主频低代表着处理器内部MOS管的开关频率低，自然开关功耗也会低。（2）可以选择具备休眠功能的处理器。处理器高速运行时所消耗的能量是最大的，但是产品有的时候不需要处理器全部运行。此时可以将处理器中一部分闲置电路或者整个模块进行休眠处理，在需要工作时通过指令唤醒，这样也可以直接降低系统功耗。（3）可以选择支持必要时断开外设的处理器。外设也属于系统功耗的一个源头。和休眠的道理类似，如果产品不需要启用某个外设功能，处理器要能及时断开，防止不必要的功耗损失。（4）电源电路设计。电路的结构对于功耗的影响也是很大的，尤其是在电源电路部分。在进行电源电路设计时，需要注意以下几点。（1）注意合理设计降压电路。我们常用的降压电路为DC-DC开关电源电路和LDO线性稳压电源，其中DC-DC开关电源的效率要远高于LDO电源的效率，尤其是输入输出压差越大的情况下，这种现象越明显。虽然LDO的纹波状况好于DC-DC开关电源，但是在很多情况下，还是要从功耗角度进行设计的考虑。（2）注意合理设计电路层级架构。架构会影响到系统的整体质量，尤其是做电能转换的部分。例如我们一般不要将两种降压电路做成前后级，而是尽量做成并联结构，因为每一级都有着自己的效率损失，串联设计将导致能量逐级递减，如此会使得系统能量损耗上升。4.2 软件低功耗设计通常对低功耗的设计主要是考虑硬件方面，而现在软件低功耗设计的作用也越来越重要，因为软件直接影响着处理器的程序运行和硬件电路的工作。软件低功耗设计可以从编译改良、中断驱动改良、算法改良等方向来考虑入手。（1）编译改良。编译的作用主要是将高级语言程序变为可以执行的程序。而实际上，程序设计的逻辑和指令不同，则处理器的处理时间和功耗也会不一样。所以如果软件工程师能够将逻辑优化，改良处理器的性能，则系统的总功耗也会明显下降。（2）中断驱动改良。在程序运行的时候，是选择用中断还是用轮询的方式来执行操作，对于一些较为复杂的系统来说其功耗会有明显的差别。对于处理器程序，可以分为主程序和子程序，当外界需要处理器工作时，会给予一个信号告诉处理器需要执行某段程序。此时就涉及中断和轮询方式的选择问题。如果用中断，处理器被唤醒完成工作后，会再次进入休眠状态；如果使用轮询，则处理器会不停地查询唤醒，导致功耗较高。所以要尽量使用中断的方式。（3）算法改良。算法也会直接影响到系统的功耗问题，这取决于系统内部所运行算法的正确性和它本身的复杂程度。如果工程师能将算法设计得较为简洁、优秀，可以避免产生很多功耗。5 结语低功耗设计是很多工程师追求的方向，想把它做好不是一件很容易的事情，需要从多个方面，多个角度来入手解决。通常我们要先了解什么是功耗、功耗的本质和来源，然后从硬件设计和软件设计层面来处理这些问题，最终将系统的功耗降低到一个令人满意的程度。这个过程很多时候不是能够一蹴而就的，需要好几代产品的迭代积累，也需要硬件工程师、软件工程师、结构设计师的通力协作。但是当我们有意识地朝着这个方向努力的时候，相信更加优秀的产品也就离我们不远了。参考文献1 孟一聪.数字集成电路低功耗设计技术的研究及应用D.北京：清华大学,2005.2 矫妹.模拟集成电路低功耗技术探讨及轨对轨运放设计D.安徽：合肥工业大学,2009.3 黄莹.基于16nm工艺集成电路低功耗物理设计技术研究D.陕西：西安电子科技大学,2018.4 张兴,杜刚,王源,刘晓彦.超低功耗集成电路技术J.中国科学:信息科学,2012,42(12):1544-1558.5 董峰.关于超低功耗集成电路的应用分析J.电子元器件与信息技术,2020,4(02):133-135.6 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