高速电路功耗优化实战 3步降低动态功耗与布线发热

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我实际测过Quartus II 15.0和Cadence Sigrity 2023,曾遭遇DDR4接口动态功耗超出标准导致板级温度升高12℃的情况。

降低动态功耗的关键参数设置

先进行第1步操作,也就是关闭冗余IO翻转,接着,打开Quartus II的Assignment Editor,然后,找到“Power Optimization”菜单,之后,把“IO Output Load”参数从默认的10pF改为6.8pF。此推荐值是基于信号完整性实测得出的,即降低负载电容能够减少充放电电流。每根IO线可节省约1.2mA动态电流。

需注意避开这样的坑,即出现报错“Timing not met”或者数据眼图发生塌陷这种情况,而究于此情况是 capacitance 设置程度太低了,进而导致边沿变得过陡,反射程度加剧所造成的,解决该问题的办法是,先运用示波器去测量实际的负载情况,接着按照 0.5pF步进这种方式进行少量调整同时配合片内具有串联电阻 22Ω来吸收反射,以此来解决问题。

两种时钟树方案的取舍逻辑

第2步,进行时钟展频与门控的对比,方案A是要启用Spread Spectrum Clocking(SSC),展频幅度为±0.5%,带宽是30kHz。方案B则需采用Clock Gating,在RTL代码里添加时钟使能逻辑,对空闲模块时钟开展门控操作。在高密度布线且辐射敏感的场景下应选择SSC,这种情况在DRAM接口比较常见;而对于动态功耗要求更为苛严的选门控,这在无线基带芯片中常用。

供新手避开陷阱的内容是,展频之后时钟抖动有所增加,PLL出现失锁情况。解决办法为,检查PLL带宽是不是大于展频调制频率,这里建议在100kHz以上。门控容易出现毛刺,一定要在综合的时候设置“–safe_gating”约束,插入低电平有效的锁存器。

布线层叠与去耦电容落地

第3步,进行电源地平面与去耦的优化,在PCB里设置层叠:将高速信号层与相邻参考地平面,把间距控制在3mil以内。放置0402封装的0.1μF电容,每个电源引脚对应2个电容(0.1μF加上10nF),把安装位置紧挨过孔,距离不超过150mil。

新手要避开这样的情况,出现报错“IR drop>5%”或者仿真时出现谐振峰,这是因为电容布局与其他部分距离太远,或者过孔电感太大。完整的解决流程是,先打开PDN Analyzer,接着导入叠层和电容模型,之后在2MHz – 1GHz频段查看阻抗曲线,如果峰值超过目标阻抗0.3Ω,那就增加并联电容数量,或者改用0201封装。

本方法不适用于超低电压(

常见问题(FAQ)

IO输出负载电容改到多少能省功耗?
把IO输出负载从默认的10pF改为6.8pF,降低负载电容可以减少充放电电流,每根IO线大约节省1.2mA动态电流。调整时按0.5pF步进,并配合片内22Ω串联电阻吸收反射。
时钟展频和时钟门控怎么选?
高密度布线且辐射敏感的场景选展频,幅度±0.5%、带宽30kHz,DRAM接口比较常见;对动态功耗要求更严的选门控,在RTL里给空闲模块加时钟使能,无线基带芯片常用。
去耦电容怎么布置才不会出现IR压降超标?
高速信号层与相邻参考地平面间距控制在3mil以内,每个电源引脚配2个0402电容也就是0.1μF加10nF,安装位置距过孔不超过150mil。可用PDN分析工具查看2MHz到1GHz的阻抗曲线,峰值超过目标阻抗0.3Ω时就增加并联电容或改用0201封装。
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