為什么我的處理器漏電？

問：為什么我的處理器功耗大于數(shù)據(jù)手冊給出的值？

答：在我的上一篇文章中，我談到了一個功耗過小的器件——是的，的確有這種情況——帶來麻煩的事情。但這種情況很罕見。我處理的更常見情況是客戶抱怨器件功耗大于數(shù)據(jù)手冊所宣稱的值。

記得有一次，客戶拿著處理器板走進(jìn)我的辦公室，說它的功耗太大，耗盡了電池電量。由于我們曾驕傲地宣稱該處理器屬于超低功耗器件，因此舉證責(zé)任在我們這邊。我準(zhǔn)備按照慣例，一個一個地切斷電路板上不同器件的電源，直至找到真正肇事者，這時我想起不久之前的一個類似案例，那個案例的“元兇”是一個獨(dú)自掛在供電軌和地之間的LED，沒有限流電阻與之為伍。LED最終失效是因為過流，還是純粹因為它覺得無聊了，我不能完全肯定，不過這是題外話，我們暫且不談。從經(jīng)驗出發(fā)，我做的第一件事是檢查電路板上有無閃閃發(fā)光的LED。但遺憾的是，這次沒有類似的、昭示問題的希望曙光。另外，我發(fā)現(xiàn)處理器是板上的唯一器件，沒有其他器件可以讓我歸咎責(zé)任?？蛻艚酉聛頀伋龅囊粭l信息讓我的心情更加低落：通過實驗室測試，他發(fā)現(xiàn)功耗和電池壽命處于預(yù)期水平，但把系統(tǒng)部署到現(xiàn)場之后，電池電量快速耗盡。此類問題是最難解決的問題，因為這些問題非常難以再現(xiàn)“第一案發(fā)現(xiàn)場”。這就給數(shù)字世界的問題增加了模擬性的無法預(yù)測性和挑戰(zhàn)，而數(shù)字世界通常只是可預(yù)測的、簡單的1和0的世界。

在最簡單意義上，處理器功耗主要有兩方面：內(nèi)核和I/O。當(dāng)涉及到抑制內(nèi)核功耗時，我會檢查諸如以下的事情：PLL配置/時鐘速度、內(nèi)核供電軌、內(nèi)核的運(yùn)算量。有多種辦法可以使內(nèi)核功耗降低，例如：降低內(nèi)核時鐘速度，或執(zhí)行某些指令迫使內(nèi)核停止運(yùn)行或進(jìn)入睡眠/休眠狀態(tài)。如果懷疑I/O吞噬了所有功耗，我會關(guān)注I/O電源、I/O開關(guān)頻率及其驅(qū)動的負(fù)載。

我能探究的只有這兩個方面。結(jié)果是，問題同內(nèi)核方面沒有任何關(guān)系，因此必然與I/O有關(guān)。這時，客戶表示他使用該處理器純粹是為了計算，I/O活動極少。事實上，器件上的大部分可用I/O接口都沒有得到使用。

“等等！有些I/O您沒有使用。您的意思是這些I/O引腳未使用。您是如何連接它們的？”

“理所當(dāng)然，我沒有把它們連接到任何地方！”

“原來如此！”

這是一個令人狂喜的時刻，我終于找到了問題所在。雖然沒有沿路尖叫，但我著實花了一會工夫才按捺住興奮之情，然后坐下來向他解釋。

典型CMOS數(shù)字輸入類似下圖：

圖1 典型CMOS輸入電路（左）和CMOS電平邏輯（右）

當(dāng)以推薦的高(1)或低(0)電平驅(qū)動該輸入時，PMOS和NMOS FET一次導(dǎo)通一個，絕不會同時導(dǎo)通。輸入驅(qū)動電壓有一個不確定區(qū)，稱為“閾值區(qū)域”，其中PMOS和NMOS可能同時部分導(dǎo)通，從而在供電軌和地之間產(chǎn)生一個泄漏路徑。當(dāng)輸入浮空并遇到雜散噪聲時，可能會發(fā)生這種情況。這既解釋了客戶電路板上功耗很高的事實，又解釋了高功耗為什么是隨機(jī)發(fā)生的。

圖2 PMOS和NMOS均部分導(dǎo)通，在電源和地之間產(chǎn)生一個泄漏路徑

某些情況下，這可能引起閂鎖之類的狀況，即器件持續(xù)汲取過大電流，最終燒毀?？梢哉f，這個問題較容易發(fā)現(xiàn)和解決，因為眼前的器件正在冒煙，證據(jù)確鑿。我的客戶報告的問題則更難對付，因為當(dāng)您在實驗室的涼爽環(huán)境下進(jìn)行測試時，它沒什么問題，但送到現(xiàn)場時，就會引起很大麻煩。

現(xiàn)在我們知道了問題的根源，顯而易見的解決辦法是將所有未使用輸入驅(qū)動到有效邏輯電平（高或低）。然而，有一些細(xì)微事項需要注意。我們再看幾個CMOS輸入處理不當(dāng)引起麻煩的情形。我們需要擴(kuò)大范圍，不僅考慮徹底斷開/浮空的輸入，而且要考慮似乎連接到適當(dāng)邏輯電平的輸入。

如果只是通過電阻將引腳連接到供電軌或地，應(yīng)注意所用上拉或下拉電阻的大小。它與引腳的拉/灌電流一起，可能使引腳的實際電壓偏移到非期望電平。換言之，您需要確保上拉或下拉電阻足夠強(qiáng)。

如果選擇以有源方式驅(qū)動引腳，務(wù)必確保驅(qū)動強(qiáng)度對所用的CMOS負(fù)載足夠好。若非如此，電路周圍的噪聲可能強(qiáng)到足以超過驅(qū)動信號，迫使引腳進(jìn)入非預(yù)期的狀態(tài)。

我們來研究幾種情形：

1.在實驗室正常工作的處理器，在現(xiàn)場可能莫名重啟，因為噪聲耦合到?jīng)]有足夠強(qiáng)上拉電阻的RESET（復(fù)位）線中。

圖3 噪聲耦合到帶弱上拉電阻的引腳中，可能引起處理器重啟

2.想象CMOS輸入屬于一個柵極驅(qū)動器的情況，該柵極驅(qū)動器控制一個高功率MOSFET/IGBT，后者在應(yīng)當(dāng)斷開的時候意外導(dǎo)通！簡直糟糕透了。

圖4 噪聲過驅(qū)一個弱驅(qū)動的CMOS輸入柵極驅(qū)動器，引起高壓總線短路

表1 ADSP-SC58x/ADSP-2158x設(shè)計人員快速參考

另一種相關(guān)但不那么明顯的問題情形是當(dāng)驅(qū)動信號的上升/下降非常慢時。這種情況下，輸入可能會在中間電平停留一定的時間，進(jìn)而引起各種問題。

圖5 CMOS輸入的上升/下降很慢，導(dǎo)致過渡期間暫時短路

我們已經(jīng)在一般意義上討論了CMOS輸入可能發(fā)生的一些問題，值得注意的是，就設(shè)計而言，有些器件比其他器件更擅長處理這些問題。例如，采用施密特觸發(fā)器輸入的器件能夠更好地處理具有高噪聲或慢邊沿的信號。

我們的一些最新處理器也注意到這種問題，并在設(shè)計中采取了特殊預(yù)防措施，或發(fā)布了明確的指南，以確保運(yùn)行順利。例如，ADSP-SC58x/ADSP-2158x數(shù)據(jù)手冊清楚說明了有些管腳具有內(nèi)部端接電阻或其他邏輯電路以確保這些管腳不會浮空。

最后，正如大家常說的，正確完成所有收尾工作很重要，尤其是CMOS數(shù)字輸入。

參考文獻(xiàn)：

ADSP-SC58X/ADSP-2158X: SHARC+ Dual Core DSP with ARM Cortex-A5 data sheet. Analog Devices, Inc., 2017.

ADSP-SC58X/ADSP-2158X：帶ARM Cortex-A5的SHARC+雙核DSP數(shù)據(jù)手冊。ADI公司，2017年。

Patil, Abhinay. “Burned by Low Power? When Lower Current Consumption Can Get You Into Trouble.” Analog Dialogue, Vol. 51, 2017.

Patil，Abhinay。“低功耗會燒毀器件？低電流損耗也可能帶來麻煩?！?/strong>《模擬對話》，第51卷，2017年。

Abhinay Patil 于2003年加入ADI公司，現(xiàn)在印度班加羅爾任現(xiàn)場應(yīng)用工程師。他擁有電子通信工程學(xué)士學(xué)位。