低功耗SD卡主控模块的设计及研究

发布时间：2020-03-22 22:42

【摘要】：随着电子产品的性能的不断提高,对存储容量的性能的要求也不断提高,SD卡以市场价格低、存储容量大、数据传输速率高等优点成被广泛应用于各种便携式设备中。目前,SD卡主控模块在功耗方面存在缺陷,没有低功耗工作模式,模块不工作时会造成不必要的能量浪费,这对低功耗提出了一定的要求。为了解决上述问题,有必要对SD卡主控模块进行低功耗设计。本文设计实现了SD卡主控模块,通过分析影响主控模块功耗的主要因素,在正常模式的基础上提出三种低功耗模式,实现主控模块的低功耗设计。主要工作和成果如下:1、根据SD卡主控模块的工作流程,完成主控模块的架构设计。以ARM Cortex-MO微处理器为核心,以AMBA2.0总线为架构,设计集成了 DMA控制器、NandFlash控制器、中断控制器以及SD控制器模块以及外设模块等。2、针对SD卡主控模块,基于正常工作模式的基础上提出了睡眠、深睡眠和待机模式三种低功耗工作模式。通过分析影响主控模块功耗的子模块以及不同的工作场景,提出三种低功耗工作模式。采用多电压供电及门控电源技术,将主控模块划分为PD1,PD2,PD3三个电源域,在不同模式下对这三个电源域采用不同的电源及电压管理来降低功耗;采用门控时钟技术,对系统时钟源及正常和睡眠模式下的外设模块时钟进行门控降低时钟引起的功耗;采用存储器分块访问技术将SRAM分成8个子模块,处于空闲状态的子模块由于只消耗着漏电功耗从而可以降低系统的存储功耗。3、完成SD卡主控模块的集成,并对其进行功能仿真验证以及功耗分析。搭建验证平台完成主控模块的功能验证,通过波形及数据传输结果可知,主控模块能够正常工作。通过PTPX工具对四种工作模式进行功耗分析,分析结果表明,在40MHz的频率下,在睡眠模式下的总功耗比正常模式的总功耗下降了 27.3%;深睡眠模式下的总功耗比正常模式的总功耗下降67.2%;待机模式下的总共耗比正常模式的总功耗下降91.2%。
【图文】：

示意图,功耗,动态功耗

2.1 CMOS 集成电路功耗来源CMOS 电路中主要有两种功耗来源，分别是静态功耗和动态功耗【28】。动态功耗是指芯片处于活动状态时所消耗的功耗，，在 CMOS 电路中，可以分为开关功耗和内部功耗，开关功耗是指对输出电容进行充电和放电所需的功耗【29】，内部功耗是指输入翻转时，PMOS 管和 NMOS 管同时导通的瞬间电流所形成的功耗【30】。静态功耗是指电路在不工作只有供电的情况时，晶体管中漏电流造成的功耗【31】。2.1.1 动态功耗动态功耗主要包括两个部分，分别是充放电电容引起的开关功耗switchP 和直接通路电流引起的内部功耗shortP【32】。对于开关功耗switchP ，图 2-1 为开关功耗的示意图，分别为反相器输出端从低电平转换到高电平时通过 PMOS 管充入的电容负载和反相器输出端从高电平转换到低电平时通过 NMOS 管放出相同的电容负载【33】。

示意图,负载电容,能量,电源

2 0 0i ( )outVDD DD DD L L DD out L DDdvt V dt V C dt C V dv C Vdt 20 0 ( )2DDVout L DDDD out DD L out L out outdv C Vt v dt V C v dt C v dvdt 2)可以看出【34】，在低电平到高电平翻转期间负载电容LC电荷需要从电源中获得2L DDC V 焦耳的能量，其中只有12这意味着由电源提供的能量只有一半存储在负载电容中个开关周期中都需要消耗一个固定数量的能量，即L DC V件的开关频率，如果这个门每秒通断0 1f 次，则功耗等2switch L DD0 1P C V f 代表消耗能量的翻转的频率。路电流引起的内部功耗shortP ，图 2-2 为内部功耗示意图
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333

【参考文献】