Power Switch：用途、原理、工作方式及实现方案
1. Power Switch 用途
Power Switch（电源开关）是低功耗集成电路设计中的关键组件，主要用于动态控制模块的电源通断，以实现以下目标：
降低静态功耗（Leakage Power）：在芯片进入休眠模式时，切断闲置模块的供电，减少漏电流。
支持多电压域（Multi-Voltage Domain）：配合动态电压频率调整（DVFS），按需调整不同模块的供电电压。
实现电源门控（Power Gating）：符合IEEE 1801 UPF（Unified Power Format）标准，优化芯片功耗管理。
典型应用场景：
移动设备（智能手机、平板电脑）的睡眠模式
IoT芯片的低功耗运行
高性能计算芯片的动态功耗优化
2. Power Switch 原理
Power Switch 的实现方式主要分为 Standard Cell 实现 和 专用 IP 实现，两者在结构和工作原理上有所不同。
2.1 Standard Cell Power Switch 原理
基本结构：
由标准单元库中的 高阈值电压（HVT）MOSFET 构成，通常采用 PMOS（Header Switch）或 NMOS（Footer Switch）。
多个开关单元（Switch Cells）分布在电源网络（Power Mesh）中，构成分布式开关阵列。
开关类型：
Header Switch：连接VDD与模块（PMOS实现，关断时模块无电源）。
Footer Switch：连接模块与VSS（NMOS实现，关断时模块无地）。
控制方式：
由 Power Management Unit (PMU) 或 Power Controller 控制开关使能信号（Enable）。
需配合 Isolation Cells（隔离单元） 和 Retention Registers（状态保持寄存器） 确保信号完整性。
2.2 IP Power Switch 原理
基本结构：
由半导体厂商或第三方IP供应商提供的 优化开关模块，通常采用 FinFET/GAA 晶体管 以降低漏电。
采用 集中式（Clustered）或分布式（Distributed） 布局，具有更优的电源网络阻抗控制。
控制方式：
集成 智能控制逻辑，支持 软启动（Soft Start） 和 浪涌电流抑制（Inrush Current Control）。
提供 预验证的时序模型（Liberty/.lib），简化静态时序分析（STA）。
3. Power Switch 工作方式
3.1 Standard Cell Power Switch 工作方式
开启过程（Power-Up）：
PMU 发送使能信号（Enable），逐步打开开关单元。
由于开关分布较广，电源网络电压上升较慢，可能引起短暂IR Drop。
模块退出复位状态，Isolation Cells 解除隔离，恢复正常功能。
关断过程（Power-Down）：
PMU 发送关闭信号，Retention Registers 保存关键状态。
Isolation Cells 阻断模块输出，防止信号冲突。
开关单元逐步关闭，模块进入零功耗状态。
3.2 IP Power Switch 工作方式
开启过程（Power-Up）：
采用 分级启动（Staggered Turn-On），减少浪涌电流。
内置 电压监控电路，确保电源稳定后释放模块复位信号。
关断过程（Power-Down）：
智能时序控制，先隔离信号，再逐步降低电源电压。
支持 快速唤醒（Fast Wake-Up） 模式，适用于实时性要求高的场景。
4. Standard Cell vs. IP Power Switch 优劣对比
| 特性 | Standard Cell Power Switch | IP Power Switch |
|---|---|---|
| 面积效率 | 面积较大（需冗余设计） | 优化布局，面积更小 |
| IR Drop 控制 | 依赖手动优化，可能不均匀 | 内置低阻抗设计，IR Drop 更优 |
| 时序收敛 | 需额外STA优化 | 预验证时序模型，更易收敛 |
| 设计复杂度 | 需手动规划电源网络 | 即插即用，集成简便 |
| 可靠性 | 需额外EM/IR验证 | 经过硅验证，可靠性高 |
| 灵活性 | 可定制开关尺寸和拓扑 | 配置固定，灵活性较低 |
| 成本 | 低（无需额外授权） | 可能需IP授权费用 |
| 适用场景 | 小规模设计、成熟工艺 | 先进工艺（7nm以下）、大规模SoC |
5. 结论
优先选择 IP Power Switch：适用于先进工艺、高性能SoC，提供更优的功耗、面积和可靠性。7nm及以下：优先选择IP方案
Standard Cell 适用场景：资源受限项目或需要高度定制的低复杂度设计。28nm及以上：可考虑Standard Cell方案。