【数字IC】——PTPX概述

1、PTPX概述

PrimeTime PX(PTPX)提供vector-free和vector-based的峰值功率分析和平均功率分析。PTPX的矢量是Value Change Dump(VCD)或者Swithing Activity Interchange Format(SAIF)中寄存器传输级(Register Transfer Level,RTL)或门级仿真结果。

PTPX提供了多电压和功率域分析，它还有一个集成图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)来可视化功耗debug。

PTPX工具基于Synopsys数据库格式(.db)中的电路连接、开关活动、网络电容和单元级功耗行为数据建立了设计的详细功耗描述。(.db)库可以是非线性功耗模型(NLPM)库或者复合电流源(CCS)库。它计算了单元级电路的功耗行为，并且输出在片级、块级和单元级的功耗报告。

2、PTPX的两种模式

Averaged power analysis

Averaged模式是一种基于平均值的功耗分析模式，PTPX支持基于默认值、用户定义的开关或者来自HDL仿真(或者RTL/门级)开关的开关活动的传播。

Time-based power analysis

为了准确地进行与时间相关的功耗分析，PTPX支持基于RTL或门级模拟活动随时间变化的分析，运用事件驱动算法来计算每个事件的功耗，生成基于时间的功耗模型来提供平均功耗结果和峰值功耗结果。

3、电路中功耗的组成

电路中的功耗主要分为静态功耗和动态功耗。

3.1 静态功耗

静态功耗又称为泄漏功耗，理论上不存在直流导通电流，理想状态下静态功耗应当为零。然而，由于实际电路中泄漏电流的存在，使得电流在静态时的功耗无法达到零值。泄漏电流主要由四种类型的电流构成，分别为反偏二极管泄漏电流、门栅感应漏极泄漏电流、亚阈值泄漏电流以及门栅泄漏电流。

Ileakage为总的泄漏电流，Ireverse为反偏二极管泄漏电流，IGIDL为门栅感应漏极泄漏电流，IDS亚阈值泄漏电流，Igate为栅泄漏电流。

静态功耗的计算公式为：

$P_{leakage}=V_{DD}\cdot I_{leakage}$

$I_{leakage}=I_{reverse}+I_{GIDL}+I_{DS}+I_{gate}$

3.2 动态功耗

动态功耗主要由两部分组成：开关功耗和短路功耗。动态功耗的大小取决于多个因素，包括MOSFET的开关频率、电源电压以及输入信号的频率和幅度等。

3.2.1 开关功耗

在CMOS集成电路中，由于采用了互补的N型和P型MOSFET组成的电路结构，当输入信号产生翻转时，电路中的MOSFET会进行开关操作，电源对负载电容进行充放电操作，从而产生开关功耗。

①当输入信号IN为低电平时，PMOS器件导通的同时NMOS产生关断，信号输出端OUT与电源之间产生了一条直流通路，电源对负载电容进行充电，输出端口的电压会逐渐从0上升至电源电压VDD。PMOS会消耗掉电源向电路提供能量的一半，并将这部分能量以热能的形式散发出去。

②当输入信号IN为高电平时，两个MOS管的导通状态发生转变，此时电容会向外界放电直至端口电压变为0。

在一个充放电周期内，假设CMOS门的输出端口的电平可变换两次，以上述CMOS反相器为例，对MOS管充放电两次的平均功耗为：

T为充放电周期，VDD是电源电压，CL为输出端口的负载电容容值，V0为当前输出电压。

3.2.2 短路功耗

在开关过程中，由于实际输入电压波形并非理想的瞬间阶跃变化，会导致PMOS管和NMOS管在极短的时间内同时导通。当两者同时开启时，它们之间会形成一个直接的电流通路，连接电源和地，从而在电路中产生瞬时的短路现象。

由短路电流引起的能量的损失就是短路功耗，输入电压达到VDD-VT之前，PMOS管保持导通状态，当输入电压上升到阈值电压VT时，NMOS管开始导通，两者导通的时间存在交叠，产生交叠的阴影区域是短路现象发生的区域，短路功耗计算公式为：

ISC为短路电流，k为NMOS和PMOS的介电常数，这一参数影响着器件的电学性质，τ为电平转换时间，VT为开启阈值电压，fclk为时钟频率，代表电路内部信号处理速度的快慢。

4、功耗降低因子

功耗降低因子(Power Derating Factor)对静态功耗和动态功耗应用一个乘法因子，可以应用于设计、单元。在Averaged power analysis和Time-based power analysis下都支持功耗降低特征，指定的降低因子会影响功耗分析的结果。

支持功耗降低的命令

set_power_derate
reset_power_derate
report_power_derate

指定设计对象上的功率降低因子

使用set_power_derate可在以下对象上指定功耗降低因子

Internal power

Swithing power

Leakage power

标签：泄漏,power,开关,PTPX,功耗,概述,IC,电流
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