IC上电和关断(2)：断电还是关断？

现代集成电路采用精密复杂的电路来确保其开启后进入已知状态，保留存储器内容，快速引导，并且在其关断时节省功耗。本文分两部分，提供有关使用上电复位和关断功能的一些建议。

第一部分：IC上电和关断(1)：上电复位(POR)

断电还是关断？

"当然是关断！"对这个问题感到吃惊的人会大声说道。其他人可能会寻思二者有何差异。关断模式常常会保留存储器内容，启动时间更短，漏电流超低，而如果切断电源，这一切都不复存在。但是，假如不需要这些特性呢？设计人员会让电源保持稳定并使用关断模式而浪费电源吗？为何不能简单地通过切断电源来降低漏电流？关断模式是否存在一些基本的深层次的要求？感到迷惑不解？请看下文。

诱惑与风险

现代系统包含丰富的特性，这是通过多层次的复杂设计实现的，常常涉及到不止一个芯片。功耗是很多应用都关心的，诸如便携式医疗设备，因此这些芯片常常包含一种或多种关断模式。这些模式提供存储器内容保留、外设使用和快速开启等特性，而消耗的电源电流非常少。另一种方法是完全关断电源。这会完全切断芯片的电源，不允许任何电流进入电源引脚。虽然能够降低功耗，但这种方法存在一些严重的副作用。

考虑一个包括多个芯片的复杂系统，这些芯片通过多路复用总线相连。如果该系统设计用于功耗受限的应用，简单地切断未在使用的芯片电源似乎有利可图，尤其是在不需要关断模式提供的其他特性的时候。切断电源可降低漏电流，但没有电源时，引脚对输入信号可能起到低阻抗节点的作用，导致不可预测的操作和潜在的系统级威胁。虽然断电选项可能很诱人，但关断模式对复杂系统有着根本上的好处：它使各芯片处于已知的、希望的状态，即使芯片在低功耗与高性能模式之间循环，也能维持安全可靠的操作。详细情况可通过考察一个I/O节点来了解。

简单示例

图7中的引脚连接到一个复用节点，其操作由一个经验证的系统架构设定。作为I/O引脚，它同时拥有输入和输出功能。


图7. 简化的I/O电路

不考虑功率开关所用器件的问题，断开此芯片的电源（假设不需要任何芯片操作）将导致图8所示的情况，芯片内核到处都是未知状态。在最坏情况下，浮置栅极输出器件（MOUT, p 和MOUT, n）可能会在休眠时暴露于意想不到的外部电压下。对于本例所示的CMOS I/O，这可能产生一个经由NMOS漏极连接的对地低阻抗连接（红色亮显）。高电流将导致前一级的驱动能力透支，从而损害芯片中的MOS电路，甚至芯片本身。即使未损害系统，其性能也会降低。


图8.断电模式下的I/O电路。注意内部栅极处于未知状态
        
关断模式

关断模式为芯片提供额外的一重保护，可防范上述意外工作状况。实现方式会因不同的模式、产品系列和供应商而异，但重点是在芯片内核休眠时提供安全的I/O边界，维持已知的、可信赖的低功耗状态。好处是系统器件之间的I/O操作（例如通过系统级多路复用总线）不会威胁到休眠中的器件。一个实现方案是在低功耗模式下将I/O引脚置于高阻态，使连接到边界引脚的内部节点处于已精确定义的状态。图9 显示了一个简化的实现方案。信号对内部电路无影响，从根本上保证其安全。其他实现方案（例如浅休眠模式）也可以让I/O外设保持上电，同时确保在关断模式期间芯片外设与内核之间的操作得到验证。这使得芯片在保持低功耗的同时，能够处理激活状态下的使用情形。此外，该系统降低了功率开关的成本；如若不然，将需要使用一个很大的低电阻器件，其漏电流和导通状态功耗均会相当大。


图9.关断模式下的I/O电路。注意所有内部节点都已精确定义。

关断模式因芯片和供应商而异，因此，"浅休眠模式"之类名称的含义并不总是相同。有些支持保留存储器内容，有些则提供更多的中断数或其他类似特性。与完全断电相比，这些模式的一个突出优势是可以缩短系统响应时间。有些电路提供单独的I/O电源和内核电源。这种分离的一个优点是，电路板设计人员可以切断内核电源以降低漏电流，而I/O 则保持上电。强烈建议一定要从产品数据手册获得准确的详细信息，确保所需的特性和保护方法受到产品的支持。

尺寸不断缩小的影响

作为器件尺寸缩小的自然后果，现代IC工艺技术提供更高密度的封装，使得关断模式的优化使用越来越重要。不过，这也降低了器件的压力处理能力。例如，28nm 器件的栅极氧化物就比相应的180nm 器件要薄。这样，断电模式下栅极电压所施加的压力更有可能损坏较小的器件。此外，布局相关的参数也可能导致尺寸较小的器件发生灾难性故障。

所有这些影响使得关断模式对现代器件越来越有吸引力。现代芯片充盈着各种特性，包括成百上千万的元件；如果保持开启，每个器件都可能产生漏电流。优化特性使用并关断芯片中不使用的部分，可以消除其中的大部分漏电流。然而用户应该确保供应商明确支持这些模式，而不要试图自行开发关断功能。

更多情形

关于关断的完整拼图还缺几片。如果同时切断接地连接（这将形成另一条低阻抗路径）会怎样？这与直接驱动I/O引脚而不使能电源的ESD 情况相似，如果信号足够强，可能会触发ESD 保护结构，导致高电流流经其他相连的I/O引脚，产生假上电情况。更有可能的情况是信号稍弱一点，但仍然强到足以通过一条路径（如I/O箝位）抵达电源。信号可能无法触发电源箝位，但会在电源上引起意想不到的虚电压，从而造成未知工作状态，具体情形取决于芯片的拓扑结构。任一情况下，如果电路状态持续如此，则芯片可能受损，除非前一级已经停止供应高电流。如果信号强度不足以触发I/O箝位，它仍可能会对所遇到的第一个晶体管施压，长时间操作后可能会损坏该晶体管。

如果断开电源并拉低电源输入呢？这种情况下，芯片无浮动电源，不可能触发任何ESD 结构，但PMOS漏极电压可能高于主体电压，使漏极-主体二极管正偏。这样，来自前一级的电流将经过PMOS 器件流至地，直至器件烧毁、前一级停止提供电流或设计人员注意到报警。

结论

关断模式使得系统级响应更快速、更安全，因而是不可缺少的特性，尤其是在考察复杂系统中的完整信号链时。如果器件之间的交互很有限，或者系统整体很简单，足以确保不会出现复杂情况，则可以考虑完全切断电源。