低功耗设计之isolation cell-低功耗系统设计:原理、器件与电路

2023-04-21 07:23:27

原文章参考：https://mp.weixin.qq.com/s/5k8BGd3t5wMVNzNzG4-Y5w

低功耗架构设计需要前后端拉通规划，前端设计有PMU功耗管理单元，比如A模块电压常开，B模块电压可关断，当B模块关断电压后，B模块输出到A模块的信号需要用isolation cell进行电压钳位(clamp 0或者clamp 1信号)，这样就避免了X态的传播。

X态信号传播的危害1：

假如电源的工作电源为0~1.2V 那么X态可能为0~1.2V中任意电压，如果X处在中间电平0.6V，若这个信号送给电压常开域中的一个反相器，就会导致这个反相器的PMOS和NMOS都导通，就会存在一个短路电流从电源流经PMOS、NMOS再到地，造成功耗浪费。

X态信号传播的危害2：

假如电源的工作电源为0~1.2V，那么X态信号可能随着温度、电压等环境因素改变而震荡，导致常开电压模块的逻辑功能出现不可预知的错误，甚至引起系统宕机，造成芯片的不可靠。

isolation cell的结构（下图为source side isolation类型）：

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isolation cell一般有sink side、source side两种类型。什么是sink side？即isolation cell放置于常开电压域PD_ON，只需要一组电源，推荐使用这种类型，较为简洁。

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什么是source side？

即isolation cell放置在power shut off domain(PD_SHUT)里面，但是需要接常开电源(VDDG)供电，保证power shut off domain(PD_SHUT)的电压关闭后，isolation仍能输出clamp值。这种情况下，isolation cell一般得有两组电源，分别是primary power(VDD)和 backup power(VDDG)，当VDD关断后，VDDG就供电，否则isolation谁来供电输出clamp值呢。

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上面介绍了模块电压关闭之后，其输出需要isolation cell进行钳位的原因，以及isolation cell的两种类型及两组电源的需求，下图电路功能可实现选择clamp 1或者clamp 0。

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图一 isolation实现clampe_0功能

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图二 isolation实现clamp_1功能

有些文章说isolation要放在PD_ON与PD_SHUT交汇处的PD_ON电源域，实际上，isolation也可以放在PD_SHUT里面的，但是就需要带两组电源的isolation cell。

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不过需要注意的是，当isolation放在PD_ON时，其isolation的信号端只能来自PD_SHUT的输出，中间不能插入PD_ON的buf或者inv来解决时序问题。设计须检查isolation的两个输入信号是否来自于两个不同的power domain，即一个电源域来自PD_SHUT，另外一个电源域来自PD_ON。还要检查isolation单元的供电是否是PD_ON的电源线。