isolation cell的低功耗設(shè)計

在 multi-voltage design 中，常常用到isolation cell;
本文簡單介紹什么是 iso cell，
如何使用 iso cell,
何時需要加 iso cell，
iso cell的插入位置。

1. 什么是 iso cell ？

isolation cell（隔離單元），通常用于電源關(guān)斷技術(shù)（PSO）和多電源多電壓技術(shù)（MSMV）。起到不同電壓域之間的電壓鉗制和隔離作用。

isolation cell是shutdown模塊和always on模塊之間的接口，用于隔離兩個不同的 power domain。

isolation cell示意圖如下：

iso cell 有一個控制端 EN，
當(dāng) EN 無效時， A 端信號直接送到 Y 端，此時 iso cell 等效于一個buffer；
當(dāng) EN 有效時，buffer 斷開，Y 端保持固定的高電平或者低電平；

為了保證isolation cell能夠在power down的時候仍然能夠正常工作，一般來說isolation cell都會有一個primary power和一個secondary power，后者能夠保證前者power down時器件仍然能夠工作。

即如上圖所示：
iso cell 的兩組 power：primary power VDD 和 backup power VDDB，當(dāng) 左邊domain 關(guān)掉時， VDD off，此時就由 VDDB 供電，維持 Y 端的固定電平。

2. 如何使用 iso cell ？

通常isolation cell和Level Shifter一起連用，AND和OR門都可以組成一個isolation cell;

1. AND類型：輸出iso成0；

2. OR類型：輸出iso成1；

3. 何時需要用到 iso cell ？

當(dāng)信號從一個module傳入另一個module，如果shutdown模塊的電源關(guān)閉，則輸出信號可能出現(xiàn)不可預(yù)測的數(shù)值，若此數(shù)值傳遞給always on模塊，可能會導(dǎo)致功能出現(xiàn)問題。因此需要將電源關(guān)閉module的輸出信號和其他module隔離開來，給所有的邊界信號加入isolation cell（ISO）。

isolation cell的作用在于在電源關(guān)掉之后，將某個信號電位固定到高電位或低電位，保證輸出的信號是一個確定值（1或0）。如下圖所示：

當(dāng)信號從一個 off domain 穿到 另一個 domain （on 或者 off）時，如果 domain A 關(guān)掉，而 domain B 還在運(yùn)行，就會出現(xiàn) B 的input floating，此時 B 就可能會因?yàn)檩斎氩欢☉B(tài)而出現(xiàn)錯誤；所以當(dāng)信號從 A 到 B 時，需要加 iso cell，保證在 A 關(guān)掉時，A 的輸出信號維持在穩(wěn)定的電平；

4.iso cell的插入位置？

關(guān)于isolation cell的插入位置，我們需要決定是放在power gated module (source module)內(nèi)還是always-on module (destination module)內(nèi)。

插在 source module 的ouput 端一是可以節(jié)省所需要的 isolation cell 數(shù)量，考慮一個模塊引腳的輸出連到多個模塊引腳的輸入的情況，二是便于檢查。

插在destination module的input 端優(yōu)點(diǎn)是 isolation cell 需要 always-on 的 power。若放在 source module的output端，還需要引 always-on 的 power rail 過來。
（考慮到power-on rail的走線，isolation cell自身的功耗，一般還是放在input端比較好，因?yàn)榉旁趇nput端不需要always-on的power）

不管放在那里，其power的連接都需要注意：
isolation放置的地方都需要gated power和always-on power同時存在并且物理和邏輯連接都正確，因此經(jīng)常會把isolation cell指定一個固定的區(qū)域放置，可以選擇在此區(qū)域中打上兩種不同的power stripe和power rail來連接它們，或者選擇讓工具以自動routing的方式將secondary power連接起來，后者主要出現(xiàn)在非先進(jìn)工藝中。

總結(jié)：

isolation_cell可以放在哪個domain，或者獨(dú)立呢？可以從幾個角度思考：

1）isolation_cell電源問題。

isolation_cell工作的意義就在于power_gated_domian關(guān)閉不影響always_on_domain,所以其本身要工作至少不能使用power_gated_domian的電源。

所以isolation_cell放在always_on_domain或者獨(dú)立更好。

2）isolation_cell數(shù)量問題。
對于power_gated_domian:always_on_domain=1:n時，要實(shí)現(xiàn)一個isolation_cell可以控制所有輸出，有兩個選擇power_gated_domian和獨(dú)立，而always_on_domain肯定不能實(shí)現(xiàn)。

3）isolation_cell所占的面積問題。
如果isolation_cell獨(dú)立，單個isolation_cell所占的面積可以稍微大一些。因此，可以看出isolation_cell的位置是與具體的場景有關(guān)，并不是唯一的。

如果power_gated_domian:always_on_domain=1:1，那放在always_on_domain中應(yīng)該是最優(yōu)解，因?yàn)榭梢灾苯邮褂秒娫?，?shù)量為1，面積最小。??

注：

1）power_gated_domian：電源可關(guān)閉域，即低功耗下，為關(guān)閉狀態(tài)。

2）always_on_domain：電源常開域，即器件主要處理域，電源工作狀態(tài)不可關(guān)閉。

下面是lib iso cell：

?

?

cell(Isolation_Cell)?{
is_isolation_cell?:?true;
dont_touch?:?true;
dont_use?:?true;
pg_pin(VDD)?{
?voltage_name?:?VDD;
?pg_type?:?primary_power;
}
pg_pin(VSS)?{
?voltage_name?:?VSS;
?pg_type?:?primary_ground;
}
...
pin(A)?{
?direction?:?input;
?related_power_pin?:?VDD;
?related_ground_pin?:?VSS;
?isolation_cell_data_pin?:?true;
}
pin(EN)?{
?direction?:?input;
?related_power_pin?:?VDD;
?related_ground_pin?:?VSS;
?isolation_cell_enable_pin?:?true;
}
pin(Y)?{
?direction?:?output;
?related_power_pin?:?VDD;
?related_ground_pin?:?VSS;
?function?:?"A?*?EN";
?power_down_function?:?"!VDD?+?VSS";
?timing()?{
?related_pin?:?"A?EN";
?cell_rise(template)?{
?...
?}
?...
}
...

?

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編輯：黃飛

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