设计低功耗效率需要全面了解开关场景及其影响。
电子产品在我们生活中熟悉和不熟悉的领域都不断出现。电子产品是我们驾驶的汽车、使用的电脑、移动电话和我们依赖的可穿戴设备的共同主线。
我们感谢fitbit和咖啡机、信用卡和建筑安全卡等其他产品为我们提供的信息和便利。我们开始喜欢那些功能丰富的小型设备，这些设备在传统上被视为服装(想想迪克·特雷西(Dick Tracy)的手表)。
所有的电子设备都需要电力来运转，当电力耗尽时，它必须补充。我们的生活一直围绕着这些电子设备发展，以至于没有其中之一，即使是暂时的，也被视为一种困难。作为智能手机的消费者，电池寿命或同时运行最大数量应用程序的能力超过了对更高性能或丰富功能集的需求。这些情绪促使设计师们在设计设备时把大量的心思放在功率上。设备必须以尽可能小的电源和/或电源噪声处理用户发出的任何任务。虽然无源配电网络(PDN)在保持向所有设备供电的电压稳定方面发挥着重要作用，但设备本身的主动开关主要决定了总功耗，并确定了设计中存在潜在可靠性问题而导致故障的部分。
为低电源效率进行设计需要全面了解开关场景及其影响。开关不仅是指芯片上的信号和逻辑活动，还包括对不同功率域的开关。通过根据需求动态地开关某些块的电源，降低了整体功耗，延长了设计的电池寿命。由于更高效的开关而降低的功率也减少了热压印，从而提高了设备的可靠性。随着对增加功能和电池寿命的需求，以及减少外形因素，2.5D/3D包装技术在移动设备中非常普遍。这使得芯片彼此之间的距离更近，从而减少了散热。这些设备的高效开关提高了可靠性，减少了电迁移，降低了功率，通过延长电池寿命提高了整体产品的可用性。
图1。三维集成电路系统的热传导和散热示意图。
开关和相关的热问题也是计算或网络空间中发现的大功率芯片的一个问题。对于这些系统，性能比低功耗更重要，所使用的芯片具有快速切换时间，以最大化其性能。然而，这些硅技术也具有低通道电阻，这意味着高泄漏电流。随着温度的升高，这种泄漏以指数速率增加。如果设计不仔细，核心逻辑不同部分的高开关活动可能会使温度升高到泄漏成为功耗或发热的主要组成部分的程度。如果不加检查，芯片的泄漏和温度可能会快速上升，直到芯片燃烧殆尽，这就是所谓的热失控。然而，通过有效的开关和精确的热分析，可以在设计过程中最大限度地降低热失控的概率。
电源噪声是计算/网络领域的一个大问题。虽然设计一个为芯片提供稳定电源的良好PDN至关重要，但管理芯片上的开关也同样至关重要。这些芯片上的活动通常在多ghz范围内。因此，逻辑所消耗的所有电荷将来自芯片上的电容，因为在这些开关时间内，封装阻抗将太高，无法提供足够的电荷。该封装能够在较低频率下提供大量电流。如果注意分散芯片上逻辑的开关时间，所以不是所有晶体管都在时钟边缘后立即开关，芯片上的净电荷可以保持相当稳定，而相关的功率噪声很小。要确定开关时间均匀分布的程度，只能通过包括芯片和封装在内的仔细的瞬态模拟来回答。
图2。开关活动和精确的芯片建模使电源和信号完整性感知系统设计成为可能。
在汽车应用中，开关活动可能会导致电源完整性和电磁干扰(EMI)问题。如果在目标频率上的电流消耗很高，就会导致大的EMI辐射。如果在适当的频率下激发，封装或板上导体的平面结构可以形成有效的散热器。为了预测系统中某个部件的电磁兼容性，需要进行仿真。任何此类模拟的一个关键特征将是能够准确地说明由于芯片操作而导致的整个封装和电路板的电流和电压活动。
考虑到芯片的开关活动，可以使系统设计更加智能、集中和有效地抑制各种类型的噪声并节省电力。
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