低功耗设计 | power switch

本文简单介绍： 什么是 Power Switch？ Power switch 结构？ power switch 工作方式？

什么是 Power Switch？

Power Switch(电源开关单元)。用于电源关断技术(Power Shut Off, PSO)，它通过关断芯片中暂时不需要的某个区域或者某个子模块的供电电压，来达到降低静态功耗的目的。

下图中红圈部分就是最简单的Power Switch Cell.

通常有两种类型的Power switch cell，分别为Footer和Header两种类型。

Footer结构类型是通过VSS的开关来实现标准单元的开与关，而Header结构类型则是通过VDD的开关来实现标准单元的开与关。

在实际应用中，因为其漏电（leakage）低和实现的便利性，往往都是选用Header类型的Power switch cell。

Power Gating或者Ground Gating相应Switching Cell的选取：

Power Gating -> Header -> PMOS

Ground Gating -> Footer -> NMOS

由于Power Switching Cell是Always On Cell，因此为了降低它上面的功耗，一般采用高阈值MOS管实现；

原理上说，Power Switching Cell结构如下图所示：

关断方式主要有两种：关闭VDD或者关闭VSS；

一般来说在同一个芯片上只采用一种关断方式，也就是不会存在部分电路关断VDD，而另一部分关断VSS的情形。

在具有power switch的设计中，需要header 或者 footer 类型的电源开关单元来为可以powered down的单元供电。

• header型电源开关将power rail 连接到power-down domain中单元的电源引脚。
• footer型电源开关将ground rail 连接到power-down domain中单元的接地电源引脚。

power switch的输入逻辑信号控制开关的连接或断开状态。

Power Switching Cell电路结构示意图

二者的基本原理也很简单，如下图所示。在实际应用方面以关闭VDD为主；

从图中可以看到，VDD的控制（被称为Header Switch），利用一个P-MOSFET来控制：

• 当TURN_OFF信号为低时表示电路打开，P-MOSFET打开，GATED_VDD等于VDD_SUPPLY；
• 当TURN_OFF信号为高时表示电路关闭，P-MOSFET关闭，GATED_VDD就不供电；

同理，利用一个N-MOSFET来控制 VSS电源是否供电，被称为Footer Switch。

一般来说，只需要使用Header Switch或者Footer Switch就可以实现电路关断，其中Header Switch结构漏电较小，而Footer Switch结构控制效率高，且面积较小。

另外，所有的Header或者Footer也不能同时一起打开或者关闭，因为这样在电源或者地上会有很大的电源噪声（IR drop）；

为了避免这种现象，合理的做法是让模块内部依次上电，而不是同时上电，目前设计中广泛采用菊花链结构（也就是前一个电源开关打开后会有一个输出，连到后一个电源开关的控制输入端，以此类推，把所有的开关串成一条链），多个Footer或者Header之间插入Buffer，每隔一段时间开启/关闭一组，再隔一段时间开启/关闭另外一组，直到最后所有的switch cell开启/关闭为止。

Power switch 结构

Power Switch的结构有fine grain power gating和coarse grain power gating两种类型。

将Power Switch Cell设计成单独的器件，在实现时，控制某一块电路，叫做Coarse Grain Power Switch Cell，在设计中加入一些power switch cell来控制std cell的开和关。这种做法的优点是面积适中，缺点是power switch cell本身的压降会偏大。

fine grain power gating是指将每个switch都放在cell内部。但每个单元都有一个控制器，面积比较大，这样使得面积增大1x-3x；优点是更好的控制电源通断控制，专门设计带有电源控制的逻辑单元，实现时，不需要添加额外的控制电路，结构简单，IR drop可以更小。

因此，在实际项目应用中，大部分都是采用coarse grain power gating方式。

Power Switch 工作方式

Power switch cell通过CMOS电路构造来实现。但是一个MOS管所能通过的电流极其有限，而当需要关断一个或者多个模块的时候，所需要的电流值应该相对很大。因此power switch cell在使用的时候必然是大量cell协同工作的。

其工作方式也有不同的类型，典型的有以下两种：

左侧的摆放方式是在需要关断的module周围摆放一圈或者几圈switch cell并将其首尾相连，外部电源接到power switch的输入上，并将输出连接到module内供电的高层金属，通过控制模块来控制switch来实现电源的开关；

右侧的方法则将power switch cell像standard cell一样以固定的pattern分布在整个design中，电源的上层金属连接到power switch cell的输入端，输出端则连接到power rail上，通过断开rail与上层金属的连接来实现电源关断。

左侧的power switch cell摆放方式很像IO的排列，但是其cell大小一般来说比standard cell大却比IO cell小；

右侧的switch cell一般和一般的standard cell差不多大小。

其实power switch的摆放并不局限于这两种摆放形势。当需要关断的module比较小的时候，少量的switch cell即可实现开启关断，此时的cell摆放不必局限于某种特别的形式，只要保证连接正确，供电满足需求，将switch cell聚集在一起排列起来也没有问题。

关于power switch cell的连接方式，其实也有不同的形式，主要可以总结为以下几种形式，其中daisy chain形式为比较常见的方式。不同形式的摆放和连接方式在响应时间、涌浪电流（Inrush Current）、IR-Drop和占用面积等方面均有不同的特点。

Liberty power-switch cell，仅供参考

cell ( Simple_CG_Switch ) {
 ...
 switch_cell_type: coarse_grain;
 pg_pin ( VDDG ) {
 pg_type :primary_power;
 direction : input;
 voltage_name : VDD;
 }
 ... 
 pg_pin(VDD) {
 voltage_name : VDD;
 pg_type:internal_power;
 direction : inout;
 switch_function : "SLEEP";
 pg_function : "VDDG";
 }
 ... 
 pin ( SLEEP ) {
 switch_pin : true;
 capacitance: 0.034;
 }
 ...

参考资料

• Synopsys®Low-Power Flow
• http://www.360doc.com/content/11/1023/01/6714119_158337790.shtml
• https://www.pianshen.com/article/9119186275/
• https://www.sohu.com/a/221997507_99933533
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/104415592