总述
本章从前端RTL的角度描述电源门控的设计，该设计的关键部件示意图如图5-1所示。
电源门控的关键包括开关结构的设计和电源门控控制器的设计。我们还需要确定何时何地插入保留寄存器和隔离单元。
开关结构的设计
电源门控的详细CMOS结构与工艺技术高度相关，我们在这里将只考虑开关结构设计的架构方面。
第一个架构问题是对VDD还是VSS电源进行切换，还是两者都需要切换。
关于这个问题已经发表了许多学术论文。一些作者主张使用PMOS控制VDD和用NMOS控制VSS。然而，与栅极串联的两个这样的高阈值电源开关会引起更显著的IR下降。这种下降反过来会增加设计中门的延迟。在许多实际设计中，这种性能损失是不能容忍的，因此很多情况下都只有一个电压轨被切换。
在Header开关结构中，当开关结构关闭时，电源门控块的内部节点和输出会导向VSS。使用Footer开关结构中，当开关结构关闭时，内部节点和输出连接到VDD。注意，这里不能保证电源门控节点将持续完全放电到VSS或完全充电到VDD。
从功能的角度来看，对于使用Header结构有以下情况：
外部电源门控(从芯片外部切换电源)只适用于切换VDD。由于各种原因，VSS通常在电路板上很常见，包括为ESD提供传导路径。如果在同一芯片上同时使用外部和内部电源门控，那么在两种电源门控条件下，在芯片上切换VDD将导致相似的电源门控行为：这简化了功能验证、时序收敛和功耗分析。
在SoC设计中，多电源的使用越来越普遍，这些设计要求在不同电压下工作的块之间采用电平转换器。电平转换器通常设计有一个共同的接地和两个不同的电源电压。在使用这种设计方法的芯片中，在电源门控块上切换VSS可能是一个问题。
最后，设计师认为“关闭”意味着信号被拉回VSS。当电源(而不是接地)切换时，更容易思考所有的系统设计问题。
建议：
为了减少IR drop，建议只是切换VDD或VSS，而不是两者都切换。
在设计阶段尽早决定Header或Footer式开关是否最适合系统设计。
如果外部电源门控也将在芯片上使用，Header开关可能是最合适的选择。
如果在芯片上使用多个电源轨和/或电压调节，Header开关可能是最合适的选择。
陷阱：
小心混合电源门控与外部开关电源轨道或多个电源。这使功能、时序和功率分析变得复杂，并对标准单元库提出了更复杂的要求。
控制开关结构
控制开关结构要解决的一个关键问题是在电源模块接通时限制涌流。过度的涌流会导致电源上的电压尖峰，可能会损坏常开域模块中的寄存器，以及电源门控模块中的保留寄存器。
控制这种涌流的各种方法将在后面详细描述。一种代表性的方法是用链状结构将控制信号传递给开关。每个开关结构通常会有数百个(或更多)开关并行地工作，来自电源控制器的控制信号连接到第一个开关，它缓冲(以适当的延迟)信号并将其发送到下一个开关。
这种链的结果是，从一个开机信号有效到模块块开机需要一些时间。由于这个原因，开关结构通常会提供一个确认信号，表明结构已完全通电。这个信号可以简单地作为“power up”控制信号的最终版本。
打开开关结构的一个更积极的方法是按顺序使用几个通电控制信号。第一个控制信号可能打开一组微弱或“涓滴”开关，启动电源，但限制涌流。第二个控制信号可以打开主电源开关。
不管具体的控制方法是什么，在上电过程中，重要的是要等到开关结构完全上电后才能使电源门控块恢复正常运行。这个上电顺序的时间由电源控制器负责。
请注意，电源开关结构的控制信号—电源开/关的确认信号必须通过常开域的缓冲区来缓冲，而不是电源门控缓冲区。这给电源门控区域的电源路由增加了一定程度的复杂性。
电源门控控制的建议与陷阱
建议：
电源控制器的设计应该与指定的技术工艺高度相关。
应该为电源门控控制端口提供控制信号，以匹配所选的开关技术，以确保RTL设计环境中的功能验证和覆盖率。
电源门控信号必须在测试过程中是可控的。
陷阱：
同时存在外部电源门控(切换外部轨道)和内部电源门控(切换芯片上的电源)可能是棘手的。在内部电源门控过程中的常开电源在外部电源门控过程中可能不会常开。在这种情况下，需要仔细的设计和验证。
