為什么有些處理器會(huì)漏電?
問(wèn):為什么我的處理器功耗大于數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的值?
答:在我的上一篇文章中,我談到了一個(gè)功耗過(guò)小的器件——是的,的確有這種情況——帶來(lái)麻煩的事情。但這種情況很罕見(jiàn)。我處理的更常見(jiàn)情況是客戶抱怨器件功耗大于數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shuō)它的功耗太大,耗盡了電池電量。由于我們?cè)湴恋匦Q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(gè)一個(gè)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(shí)我想起不久之前的一個(gè)類似案例,那個(gè)案例的“元兇”是一個(gè)獨(dú)自掛在供電軌和地之間的LED,沒(méi)有限流電阻與之為伍。LED最終失效是因?yàn)檫^(guò)流,還是純粹因?yàn)樗X(jué)得無(wú)聊了,我不能完全肯定,不過(guò)這是題外話,我們暫且不談。從經(jīng)驗(yàn)出發(fā),我做的第一件事是檢查電路板上有無(wú)閃閃發(fā)光的LED。但遺憾的是,這次沒(méi)有類似的、昭示問(wèn)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(méi)有其他器件可以讓我歸咎責(zé)任。客戶接下來(lái)拋出的一條信息讓我的心情更加低落:通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(chǎng)之后,電池電量快速耗盡。此類問(wèn)題是最難解決的問(wèn)題,因?yàn)檫@些問(wèn)題非常難以再現(xiàn)“第一案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)”。這就給數(shù)字世界的問(wèn)題增加了模擬性的無(wú)法預(yù)測(cè)性和挑戰(zhàn),而數(shù)字世界通常只是可預(yù)測(cè)的、簡(jiǎn)單的1和0的世界。
在最簡(jiǎn)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(shí),我會(huì)檢查諸如以下的事情:PLL配置/時(shí)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(shí)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(huì)關(guān)注I/O電源、I/O開(kāi)關(guān)頻率及其驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。
我能探究的只有這兩個(gè)方面。結(jié)果是,問(wèn)題同內(nèi)核方面沒(méi)有任何關(guān)系,因此必然與I/O有關(guān)。這時(shí),客戶表示他使用該處理器純粹是為了計(jì)算,I/O活動(dòng)極少。事實(shí)上,器件上的大部分可用I/O接口都沒(méi)有得到使用。
“等等!有些I/O您沒(méi)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(méi)有把它們連接到任何地方!”
“原來(lái)如此!”
這是一個(gè)令人狂喜的時(shí)刻,我終于找到了問(wèn)題所在。雖然沒(méi)有沿路尖叫,但我著實(shí)花了一會(huì)工夫才按捺住興奮之情,然后坐下來(lái)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(dòng)該輸入時(shí),PMOS和NMOS FET一次導(dǎo)通一個(gè),絕不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。輸入驅(qū)動(dòng)電壓有一個(gè)不確定區(qū),稱為“閾值區(qū)域”,其中PMOS和NMOS可能同時(shí)部分導(dǎo)通,從而在供電軌和地之間產(chǎn)生一個(gè)泄漏路徑。當(dāng)輸入浮空并遇到雜散噪聲時(shí),可能會(huì)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(shí),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(gè)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(guò)大電流,最終燒毀??梢哉f(shuō),這個(gè)問(wèn)題較容易發(fā)現(xiàn)和解決,因?yàn)檠矍暗钠骷诿盁?,證據(jù)確鑿。我的客戶報(bào)告的問(wèn)題則更難對(duì)付,因?yàn)楫?dāng)您在實(shí)驗(yàn)室的涼爽環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試時(shí),它沒(méi)什么問(wèn)題,但送到現(xiàn)場(chǎng)時(shí),就會(huì)引起很大麻煩。
現(xiàn)在我們知道了問(wèn)題的根源,顯而易見(jiàn)的解決辦法是將所有未使用輸入驅(qū)動(dòng)到有效邏輯電平(高或低)。然而,有一些細(xì)微事項(xiàng)需要注意。我們?cè)倏磶讉€(gè)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(kāi)/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(guò)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(shí)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(dòng)引腳,務(wù)必確保驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)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(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào),迫使引腳進(jìn)入非預(yù)期的狀態(tài)。
我們來(lái)研究幾種情形:
1.在實(shí)驗(yàn)室正常工作的處理器,在現(xiàn)場(chǎng)可能莫名重啟,因?yàn)樵肼曬詈系經(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RESET)引腳中,可能引起處理器重啟
2.想象CMOS輸入屬于一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的情況,該柵極驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)高功率MOSFET/IGBT,后者在應(yīng)當(dāng)斷開(kāi)的時(shí)候意外導(dǎo)通!簡(jiǎn)直糟糕透了。
圖4.噪聲過(guò)驅(qū)一個(gè)弱驅(qū)動(dòng)的CMOS輸入柵極驅(qū)動(dòng)器,引起高壓總線短路
另一種相關(guān)但不那么明顯的問(wèn)題情形是當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升/下降非常慢時(shí)。這種情況下,輸入可能會(huì)在中間電平停留一定的時(shí)間,進(jìn)而引起各種問(wèn)題。
圖5.CMOS輸入的上升/下降很慢,導(dǎo)致過(guò)渡期間暫時(shí)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(wèn)題,值得注意的是,就設(shè)計(jì)而言,有些器件比其他器件更擅長(zhǎng)處理這些問(wèn)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(hào)。
我們的一些最新處理器也注意到這種問(wèn)題,并在設(shè)計(jì)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(cè)清楚說(shuō)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(huì)浮空。
最后,正如大家常說(shuō)的,正確完成所有收尾工作很重要,尤其是CMOS數(shù)字輸入。