芯片设计—低功耗isolation cell

news2024/9/9 1:03:43

（一）低功耗isolation cell的目的

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，那么请思考，当B模块关断电压后，B模块输出到A模块的信号是怎样的驱动力？会造成什么结果？

后果1：

假如电源的工作电源为1.2V，当B模块关断电压后，B模块输出到A模块的信号(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。

后果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，造成芯片功能的不可靠，芯片上到汽车、飞机上去后，不堪设想。

因此，当A模块电压常开，B模块电压可关断，在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。

也就是说Isolation cell连接的两端分别是power gated domian和always_on_domain，Isolation_cell的作用就是将power gated domian输出到always on domain的信号隔离，以防止power gated domian电源关闭后输入到always on domian的信号出现不确定状态(如X态等)。

（二）低功耗isolation cell的类型

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。

什么是source side？

即isolation cell放置在power gated domain(PD_SHUT)里面，但是需要接常开电源(VDDG)供电，保证power gated 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。

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

（三）低功耗isolation cell的结构

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，通常isolation cell和Level Shifter一起连用，AND和OR门都可以组成一个isolation cell;

1. AND类型：输出iso成0；

2. OR类型：输出iso成1；

首先看AND类型，EN有效时（置0），输出Y(isolation)=0，请思考下图的类型是source类型还是sink类型？

展开与门电路结构如下图右边部分，请思考，下图Y输出是否和上图一致？ISO_EN是高有效还是低有效？想通了就很有趣！

isolation实现clampe_0功能

然后我们看OR或门类型：ENB有效，Y就被钳位为1。

或门展开电路如下图右边部分，请思考下图ISO_EN是1有效吗？管子是如何工作才能钳位输出？钳位输出是1吗？是不是很有趣！

综上，通常Isolation cell和Level Shifter一起连用，AND和OR门都可以组成一个isolation cell。Isolation可以放在input端，output端或者第三方Voltage Area中，但是考虑到power-on rail的走线，isolation cell自身的功耗，一般还是放在input端比较好，因为放在input端不需要always-on的power。

（四）低功耗isolation cell的UPF语法

set_isolation ISO0_PD_SHUT 指定isolation cell的添加rule，相当于前缀名称

-domain PD_SHUT 指定添加isolation cell的voltage area

-applies_to input 指定isolation cell在voltage area的input还是output

-diff_supply_only true 指定cell port上是否允许有其他supply

-loacation parent 指定isolation的放置位置，parent代表放在driver pin的父module

-isolation_signal PMU/iso_en 指定isolation cell的isolation 控制信号

-calmp_value 1 指定isolation cell的输出值

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