IC上電和關斷（2）：斷電還是關斷？

現代集成電路采用精密復雜的電路來確保其開啟后進入已知狀態(tài)，保留存儲器內容，快速引導，并且在其關斷時節(jié)省功耗。本文分兩部分，提供有關使用上電復位和關斷功能的一些建議。

斷電還是關斷?

當然是關斷!對這個問題感到吃驚的人會大聲說道。其他人可能會尋思二者有何差異。關斷模式常常會保留存儲器內容，啟動時間更短，漏電流超低，而如果切斷電源，這一切都不復存在。但是，假如不需要這些特性呢?設計人員會讓電源保持穩(wěn)定并使用關斷模式而浪費電源嗎?為何不能簡單地通過切斷電源來降低漏電流?關斷模式是否存在一些基本的深層次的要求?感到迷惑不解?請看下文。

誘惑與風險

現代系統(tǒng)包含豐富的特性，這是通過多層次的復雜設計實現的，常常涉及到不止一個芯片。功耗是很多應用都關心的，諸如便攜式醫(yī)療設備，因此這些芯片常常包含一種或多種關斷模式。這些模式提供存儲器內容保留、外設使用和快速開啟等特性，而消耗的電源電流非常少。另一種方法是完全關斷電源。這會完全切斷芯片的電源，不允許任何電流進入電源引腳。雖然能夠降低功耗，但這種方法存在一些嚴重的副作用。

考慮一個包括多個芯片的復雜系統(tǒng)，這些芯片通過多路復用總線相連。如果該系統(tǒng)設計用于功耗受限的應用，簡單地切斷未在使用的芯片電源似乎有利可圖，尤其是在不需要關斷模式提供的其他特性的時候。切斷電源可降低漏電流，但沒有電源時，引腳對輸入信號可能起到低阻抗節(jié)點的作用，導致不可預測的操作和潛在的系統(tǒng)級威脅。雖然斷電選項可能很誘人，但關斷模式對復雜系統(tǒng)有著根本上的好處：它使各芯片處于已知的、希望的狀態(tài)，即使芯片在低功耗與高性能模式之間循環(huán)，也能維持安全可靠的操作。詳細情況可通過考察一個I/O節(jié)點來了解。

簡單示例

圖7中的引腳連接到一個復用節(jié)點，其操作由一個經驗證的系統(tǒng)架構設定。作為I/O引腳，它同時擁有輸入和輸出功能。

不考慮功率開關所用器件的問題，斷開此芯片的電源(假設不需要任何芯片操作)將導致圖8所示的情況，芯片內核到處都是未知狀態(tài)。在最壞情況下，浮置柵極輸出器件(MOUT, p 和MOUT, n)可能會在休眠時暴露于意想不到的外部電壓下。對于本例所示的CMOS I/O，這可能產生一個經由NMOS漏極連接的對地低阻抗連接(紅色亮顯)。高電流將導致前一級的驅動能力透支，從而損害芯片中的MOS電路，甚至芯片本身。即使未損害系統(tǒng)，其性能也會降低。

關斷模式

關斷模式為芯片提供額外的一重保護，可防范上述意外工作狀況。實現方式會因不同的模式、產品系列和供應商而異，但重點是在芯片內核休眠時提供安全的I/O邊界，維持已知的、可信賴的低功耗狀態(tài)。好處是系統(tǒng)器件之間的I/O操作(例如通過系統(tǒng)級多路復用總線)不會威脅到休眠中的器件。一個實現方案是在低功耗模式下將I/O引腳置于高阻態(tài)，使連接到邊界引腳的內部節(jié)點處于已精確定義的狀態(tài)。圖9 顯示了一個簡化的實現方案。信號對內部電路無影響，從根本上保證其安全。其他實現方案(例如淺休眠模式)也可以讓I/O外設保持上電，同時確保在關斷模式期間芯片外設與內核之間的操作得到驗證。這使得芯片在保持低功耗的同時，能夠處理激活狀態(tài)下的使用情形。此外，該系統(tǒng)降低了功率開關的成本;如若不然，將需要使用一個很大的低電阻器件，其漏電流和導通狀態(tài)功耗均會相當大。

關斷模式因芯片和供應商而異，因此，淺休眠模式之類名稱的含義并不總是相同。有些支持保留存儲器內容，有些則提供更多的中斷數或其他類似特性。與完全斷電相比，這些模式的一個突出優(yōu)勢是可以縮短系統(tǒng)響應時間。有些電路提供單獨的I/O電源和內核電源。這種分離的一個優(yōu)點是，電路板設計人員可以切斷內核電源以降低漏電流，而I/O 則保持上電。強烈建議一定要從產品數據手冊獲得準確的詳細信息，確保所需的特性和保護方法受到產品的支持。

尺寸不斷縮小的影響

作為器件尺寸縮小的自然后果，現代IC工藝技術提供更高密度的封裝，使得關斷模式的優(yōu)化使用越來越重要。不過，這也降低了器件的壓力處理能力。例如，28nm 器件的柵極氧化物就比相應的180nm 器件要薄。這樣，斷電模式下柵極電壓所施加的壓力更有可能損壞較小的器件。此外，布局相關的參數也可能導致尺寸較小的器件發(fā)生災難性故障。

所有這些影響使得關斷模式對現代器件越來越有吸引力?，F代芯片充盈著各種特性，包括成百上千萬的元件;如果保持開啟，每個器件都可能產生漏電流。優(yōu)化特性使用并關斷芯片中不使用的部分，可以消除其中的大部分漏電流。然而用戶應該確保供應商明確支持這些模式，而不要試圖自行開發(fā)關斷功能。

更多情形

關于關斷的完整拼圖還缺幾片。如果同時切斷接地連接(這將形成另一條低阻抗路徑)會怎樣?這與直接驅動I/O引腳而不使能電源的ESD 情況相似，如果信號足夠強，可能會觸發(fā)ESD 保護結構，導致高電流流經其他相連的I/O引腳，產生假上電情況。更有可能的情況是信號稍弱一點，但仍然強到足以通過一條路徑(如I/O箝位)抵達電源。信號可能無法觸發(fā)電源箝位，但會在電源上引起意想不到的虛電壓，從而造成未知工作狀態(tài)，具體情形取決于芯片的拓撲結構。任一情況下，如果電路狀態(tài)持續(xù)如此，則芯片可能受損，除非前一級已經停止供應高電流。如果信號強度不足以觸發(fā)I/O箝位，它仍可能會對所遇到的第一個晶體管施壓，長時間操作后可能會損壞該晶體管。

如果斷開電源并拉低電源輸入呢?這種情況下，芯片無浮動電源，不可能觸發(fā)任何ESD 結構，但PMOS漏極電壓可能高于主體電壓，使漏極-主體二極管正偏。這樣，來自前一級的電流將經過PMOS 器件流至地，直至器件燒毀、前一級停止提供電流或設計人員注意到報警。

結論

關斷模式使得系統(tǒng)級響應更快速、更安全，因而是不可缺少的特性，尤其是在考察復雜系統(tǒng)中的完整信號鏈時。如果器件之間的交互很有限，或者系統(tǒng)整體很簡單，足以確保不會出現復雜情況，則可以考慮完全切斷電源。