低功耗设计|levelshifter

云脑智库 2022-01-27 00:00


来源 | 数字ICer

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在 multi-voltage design 中,常常用到level shifter;
本文简单介绍:
什么是 level shifter?
何时需要用到level shifter?
level shifter的插入位置?

什么是 level shifter?

在multi-voltage design中,将信号从一个power domain到另一个power domain需要一个Level Shifters(电压/电平转换器)。level shifter用作缓冲器,输入端有和输出端的电压域不同,若不进行电压转换,可能无法正常工作;

这种cell在我们使用的IO中也广泛存在,用于将外部的电压与core电压之间进行转换。

此外,如果设计中还采用了Power Gating技术,在不同电压域之间进行通信的情况下,除了需要添加Level Shifter之外还需要用到另外一种cell :低功耗设计 | isolation cell

从高电压到低电压的level shifter,可以是两个反相器的串联:

何时需要用到level shifter?

根据电平转换的方向,Level Shifter可以分为三种:

  • HL                ->           高电平转低电平
  • LH                ->           低电平转高电平
  • HL_LH          ->           双向转换均可

需要在两个Power domain之间插入level shifter的情况有三种:

  • VDD_PD1 < VDD_PD2;
  • VDD_PD1 > VDD_PD2;
  • VDD_PD1 > VDD_PD2且两者相差不多;

情况1和情况2如果不插入level shifter,可能造成功能错误或者芯片不稳定;

情况3虽然VDD_PD1传入VDD_PD2可能能够正确识别逻辑功能,但是由于VDD_PD1和VDD_PD2不是完全相同,为了保证时序,还是需要插入level shifter;

如果是高电平域的信号输出到低电平域,由于低电平域器件的阈值电压低,直接接高电平信号有可能会造成误抖动;

如果是低电平域信号输出到高电平域,由于高电平域器件的阈值电压高,所以高电平域器件很难区分低电平域信号的0/1,如果直接连接会有驱动不足等问题;

建议:
不管是从高到低转换还是从低到高转换,都要加上level shifter。Level shifter通常不具备逻辑功能,只是用于不同电压值之间的信号电平的转换,也就是Level shifter并不会影响逻辑设计,它只是一个电压转换的buffer;所以level shifter不会对功能仿真造成影响,不需要去写验证激励来测试;

level shifter的插入位置?

上面这个列子是一个buffer类型的Level shifter, 逻辑上相当于一个buffer,只是输入输出的电压不一样。

上面这个例子是带ISO的level shifter,将两个cell合成一个,叫做enable level shifter (ELS)

比如当下图中信号从AON block传输到PD1时,需要加Level shifter。
当信号从PD1传输到PD2时,由于PD1是power gating模块,所以需要在PD1和PD2之间加带Isolation 功能的Level shifter cell(ELS:Enable Level shifter)。

又例如:
下图,PD1是可被关断的,PD1与PD2、PD1 与PD3之间用的Level Shifter就是带有Isolation功能的Level Shifter。而PD2是Always On的,所以PD2与PD3的数据只需要用普通的Level Shifter即可。

Level Shifter可以加在信号的源(source)端,也可以加在信号的目的(destination)端。一般推荐加在目的端,因为不需要连secondary pg pin,更加节省资源。
也就是说:

  • 如果是高到低转换,放在低电压域,电源电压由低电压模块提供;
  • 如果是低到高转换,放在高电压域,电源电压由高电压模块提供;

但是这个规则并不绝对,具体要结合实际情况,比如要考虑功耗,时序等。

  • 高到低的level shifter只会引入一个buffer的延迟,对时序的影响较小。
  • 低到高的level shifter会带来比较大的延迟,对于时序影响大,需要更加注意。

Liberty low-to-high level shifter,仅供参考

cell(Buffer_Type_LH_Level_shifter) { 
is_level_shifter : true
level_shifter_type : LH ; 
pg_pin(VDD1) { 
voltage_name : VDD1; 
pg_type : primary_power; 
std_cell_main_rail : true

pg_pin(VDD2) { 
voltage_name : VDD2; 
pg_type : primary_power; 

pg_pin(VSS) { 
voltage_name : VSS; 
pg_type : primary_ground; 

... 
pin(A) { 
direction : input; 
related_power_pin : VDD1; 
related_ground_pin : VSS; 
input_voltage_range ( 0.7 , 0.9); 
}
direction : output; 
related_power_pin : VDD2; 
related_ground_pin : VSS; 
function : "A"
power_down_function : "!VDD1 + !VDD2 + VSS"
output_voltage_range (1.1 , 1.3); 
... 
... 
}

参考资料

  • https://www.eda365.com/thread-452629-1-1.html
  • https://zhuanlan.zhihu.com/p/146526532
  • https://blog.csdn.net/qq_36480087/article/details/111592692
  • https://mp.weixin.qq.com/s/NiNelx9Jm_6l_AjgWJRItA

- The End

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