【低功耗 Power 学习专栏 -- isolation cell】

主公讲 ARM

于 2025-02-06 16:08:17 发布

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分类专栏： # 【低功耗 Power 学习专栏】文章标签：学习 isolation cell

主公讲ARM

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SOC Isolation Cell

SOC Isolation Cell

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1. Isolation Cell 的工作原理

Isolation Cell（隔离单元）是一种特殊的电路单元，主要用于在 SoC 的不同电源域（Power Domain）之间传输信号，以避免在低功耗模式下发生不受控的信号泄露或错误。其主要作用包括：

防止浮动信号 ：当某个电源域（Power Gated Module）被关闭（Power Gating），其输出引脚可能进入不确定状态（floating），从而影响其他仍然工作的电路。Isolation Cell 确保关断区域的输出信号保持确定状态（如逻辑 0 或 1）。
其原理也很简单，基本上等同于 AND 或者 OR 门:
控制信号稳定性 ：保证关断模块（Shutdown Module）和始终开启模块（Always-On Module）之间的信号传输稳定。
减少功耗 ：在低功耗模式下，可以通过 Isolation Cell 降低泄漏功耗。

Isolation Cell 主要有两种工作模式：

Clamp to 0（夹紧到 0） ：在低功耗模式下，隔离单元将输出强制拉低（输出 0）。
Clamp to 1（夹紧到 1） ：在低功耗模式下，隔离单元将输出强制拉高（输出 1）。

Isolation Cell 的控制信号通常由电源管理单元（PMU）或电源域控制器（Power Domain Controller）提供。

2. Isolation Cell 与 Shutdown Module、Always-On Module 之间的关系

Isolation Cell 主要作用于不同功耗模块之间的接口，尤其是：

Shutdown Module（关断模块）

该模块的电源会被完全关闭（Power Gating）。
关闭时，它的输出引脚会浮动（Floating），可能导致不确定的信号状态。
Isolation Cell 被用于防止浮动信号影响其他模块。

Always-On Module（始终开启模块）

该模块的电源始终开启，例如 PMU、时钟管理、RTC（Real-Time Clock）、中断控制器等。
Isolation Cell 用于确保来自已关闭电源域的信号不会影响 Always-On Module 的工作。

工作流程示意：

当 Shutdown Module 关闭时，Isolation Cell 会将其输出强制为 0 或 1，确保 Always-On Module 继续正常工作。
当 Shutdown Module 恢复供电时，Isolation Cell 允许信号正常传输。

3. Isolation Cell 的 Primary Power 和 Secondary Power

Isolation Cell 连接了两个不同的电源：

Primary Power（主电源）

由目标电源域（Power-Gated Module）供电，在低功耗模式下可能会关闭。
例如：如果某个计算模块可以被关断，它的 VDD_CORE 就可能作为 Primary Power。

Secondary Power（次级电源）

由始终开启的电源域（Always-On Module）供电，即使主电源关闭，它仍然保持工作。
例如：如果 PMU 是 Always-On 的，它的 VDD_AON 可能作为 Secondary Power。

iso cell 有一个控制端 EN，
当 EN 无效时， A 端信号直接送到 Y 端，此时 iso cell 等效于一个buffer；
当 EN 有效时，buffer 断开，Y 端保持固定的高电平或者低电平；
在这里插入图片描述

为了保证isolation cell 能够在power down的时候仍然能够正常工作，一般来说 isolation cell 都会有一个primary power和一个secondary power，后者能够保证前者power down时器件仍然能够工作。

即如上图所示：
iso cell 的两组 power：primary power VDD 和 backup power VDDB，当左边domain 关掉时， VDD off，此时就由 VDDB 供电，维持 Y 端的固定电平。

隔离单元如何依赖这两个电源？

在主电源关闭时，Isolation Cell 依然由 Secondary Power 供电，以确保其功能正常（维持输出 0 或 1）。
当主电源恢复时，Isolation Cell 允许信号正常传输。

4. Isolation Cell 的插入位置

Isolation Cell 通常被插入在 Power-Gated Module 和 Always-On Module 之间的信号通路上 ，其具体摆放位置如下：

在 Power-Gated Module 内部

Isolation Cell 可能会放在 Power-Gated Module 内部，靠近该模块的输出端。
这样可以防止关断模块的信号浮动后扩散到其他模块。
优点：避免浮动信号在模块内传播。

在 Always-On Module 内部

Isolation Cell 也可以放置在 Always-On Module 的输入端。
这样可以确保来自关断模块的信号不会影响始终工作的模块。
优点：可以由 Always-On Module 进行集中控制。

在 Power Domain Interface（电源域接口）

也可以将 Isolation Cell 设计成独立的电源域接口单元，在所有 Power Domain 之间提供隔离。
优点：统一管理，减少每个模块单独管理的复杂度。

推荐的插入位置

对于 输出信号（Power-Gated Module → Always-On Module） ，Isolation Cell 通常放在 Power-Gated Module 内 ，确保关断时信号固定。
对于 输入信号（Always-On Module → Power-Gated Module） ，Isolation Cell 通常放在 Always-On Module 内 ，避免输入浮动。

5. Isolation Cell 示例

假设一个 SoC 设计如下：

CPU Core（VDD_CORE） 采用 Power Gating，可关闭以节省功耗。
PMU（VDD_AON） 为始终开启的模块，用于管理 SoC 的低功耗状态。
CPU 和 PMU 之间有中断信号（INT） ，用于唤醒 CPU。

示例电路

Power-Gated CPU (VDD_CORE) ---> Isolation Cell ---> Always-On PMU (VDD_AON)

设计逻辑

当 VDD_CORE 关闭时，Isolation Cell 使 INT 信号固定在 0，防止浮动。
当 VDD_CORE 重新开启时，Isolation Cell 允许 INT 信号正常传输。

Verilog 代码示例

module isolation_cell (
    input  wire in_signal,   // 来自 Power-Gated Module
    input  wire iso_enable,  // 由 PMU 控制，决定是否隔离
    output wire out_signal   // 传输到 Always-On Module
);
    assign out_signal = iso_enable ? in_signal : 1'b0;  // Clamp to 0 模式
endmodule

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