ic基础|功耗篇01：影响芯片实际表现的重要指标—

ic基础|功耗篇01：影响芯片实际表现的重要指标——功耗的分类

本文主要是介绍ic基础|功耗篇01：影响芯片实际表现的重要指标——功耗的分类，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

大家好，我是数字小熊饼干，一个练习时长两年半的ic打工人。我在两年前通过自学跨行社招加入了IC行业。现在我打算将这两年的工作经验和当初面试时最常问的一些问题进行总结，并通过汇总成文章的形式进行输出，相信无论你是在职的还是已经还准备入行，看过之后都会有有一些收获，如果看完后喜欢的话就请关注我吧～谢谢～

随着芯片集成度和性能的不断提升，芯片的功耗也成为了影响芯片性能的重要指标，过高的功耗对芯片有着致命的影响，会导致系统的可靠性，随着芯片的温度不断上升，芯片的性能也会会受到影响，因此对于一些芯片来说，需要增加散热设备（例如CPU上的风扇），这些散热设备又会导致成本的提升。因此，如何降低芯片的功耗，也成为的ic设计人员关注的重点之一。

一、功耗的分类

俗话说知己知彼，百战百胜，既然我们的目标是降低芯片功耗，那么我们首先需要对芯片上产生功耗的原因及其分类进行了解。

芯片的功耗主要由以下部分组成：

浪涌：为器件上电时产生的最大瞬时输入电流，在应用中也称为启动电流。
动态功耗：由负载电容充放电时引起的功耗。它还可以细分为：

翻转功耗：是由翻转电流所引起的功耗，它也是数字电路要完成功能所必须消耗的功耗，因此也称为有效功耗。

短路功耗：是由于CMOS在翻转过程中PMOS和NMOS管同时导通所消耗的功耗，因此也被称为无效功耗。
静态功耗：由漏电流引起的功耗。它由以下几部分组成：

PN结反向电流（PN-junction Reverse Current）。

源极和漏极之间的亚阈值漏电流。

栅极漏电流：包括栅极和漏极之间的感应漏电流。

栅极和衬底之间的隧道漏电流。

芯片的总功耗可使用下式计算：
在这里插入图片描述

二、影响功耗的因素

在了解了各类功耗的定义后，我们可以进一步总结出以下几点影响功耗的因素：

MOS管的开关活动/电路工作频率：

当MOS管的输入信号Vin发生变化时，输入信号上升/下降的转换需要一定的时间，进而NMOS和PMOS的同时导通使得在VDD和VSS之间出现了一条直流通路，进而产生了短路功耗。如下图所示：
在这里插入图片描述
此外，如果输入信号的转换速率越慢的话，短路电流持续的时间也会越长，进而产生更多的短路功耗。

除了会造成短路功耗外，当MOS的输出进行切换时，其负载电容Cload需要进行相应的充放电，例如：

输出信号从低到高的转换：电容Cload通过PMOS管充电时，它的电压从0升至VDD，此时从电源上吸取了一定的能量，这些能量一部分会浪费在PMOS上，其余的一部分才会放在负责电容上；
输出信号从高到低的转换：负载电容Cload之前的储存能量会被释放，其储存的能力会被消耗在NMOS管中。

从以上两个方面可知，MOS管的开关频率将影响翻转功耗和短路功耗。而MOS管的开关频率，实际上与CMOS电路的工作频率息息相关，因此，可以认为动态功耗的大小与电路的工作频率成正比。

电源电压：

电源电压以多种方式影响功耗。它会影响功耗的所有组成部分，如：

存储在负载电容上的电荷与电源电压的平方成正比。因此，更高的电源电压意味着：在充电过程中，负载电容上存储的电荷更大；在放电过程时，也会有越多的存储电荷从VDD流到地。而在充电和放电过程中都会浪费大量的功耗，因此，翻转功耗与电源电压的平方成正比。
当由于输入转换而产生瞬时短路时，该短路路径的晶体管表现得像电阻元件。因此，流经这些晶体管的短路电流将取决于电源电压。Vdd的值越高将意味着电流越高。因此，短路功率与电源电压的平方成正比。

-流经反向偏置结（即关断晶体管）的漏电流取决于电源电压。更高的电源电压意味着更高的漏电流。