Técnicas experimentales para la medida de la corriente, energía y potencia consumida por un CI CMOS. Alejandro Peidro Palanca Director: Josep Rius Vázquez Noviembre 2001

Sumario Motivación y objetivos Métodos de medida Diseño y construcción de la placa de medida Circuitos analizados Montaje experimental Resultados experimentales Conclusiones

Motivación Importancia de la medida del consumo de CI CMOS Existencia de varios métodos experimentales de medida Necesidad de establecer un criterio objetivo que justifique la elección de cada método

Objetivos Obtener el consumo de dos CI mediante los diferentes métodos de medida Comparación de los resultados obtenidos para poder evaluar la bonanza de los métodos

Sumario Motivación y objetivos Métodos de medida Diseño y construcción de la placa de medida Circuitos analizados Montaje experimental Resultados experimentales Conclusiones

Métodos de medida Determinación de i DD (t)  Dificultad de medir la corriente consumida por un CI CMOS Medida del consumo para periodos largos –Método del amperímetro Medida del consumo para periodos cortos –Método de la resistencia –Método del condensador –Método de la sonda de corriente

Método del amperímetro Medida del valor medio P = V VDD. I DD Método fiable y simple de lectura directa Pequeña perturbación Imposibilidad de determinar el consumo en una transición simple de las entradas

Método de la resistencia Medida de la caída de tensión media con un osciloscopio. Perturbación controlada Es posible determinar el consumo asociado a una transición en las entradas Calibración correcta de R Efecto de los diodos de protección, capacidades internas y de desacoplo

Método del condensador Medida de la tensión V VDD con un osciloscopio. Perturbación controlada Es posible determinar el consumo asociado a una transición en las entradas Calibración correcta de C DD Efecto diodos de protección, EMI, inyección de carga

Método de la sonda de corriente Adquisición de la componente transitoria de la corriente Insensibilidad de la componente DC y bajas frecuencias

Sumario Motivación y objetivos Métodos de medida Diseño y construcción de la placa de medida Circuitos analizados Montaje experimental Resultados experimentales Conclusiones

Diseño y construcción de la placa de medida MÓDULO INTERMEDIO MÓDULO DE TENSIÓN MÓDULO DE CONTROL MÓDULO SELECTOR +12V Control Interruptor RESET C. EXT.  INT. Medida Consumo +12 V -12 V +5 V

Placa de medida: Módulo Control MICROCONTROLADOR PIC16C711 MICROINTERR. CONTROL_PMOS CONTROL_TG CONTROL INY_TG CONTROL EXT. OSC. RESET V vdd T OFF CONTROL_PMOS CONTROL_TG CONTROL_INY_TG 1 T REP 3 Control del interruptor en función de los microinterruptores y del control externo para el método del condensador T MED 2

Placa de medida: Módulo Control

Placa medida: Módulo intermedio Vg CONTROL_PMOS C CPMOS CONTROL_INY_TG C CTG CONTROL_TG V VDD D S PMOS V DD D S TG Acondicionamiento de las señales de control que gobiernan el interruptor para el método del condensador

Placa de medida: Módulo selector J5J4 J8J11 J4: R. J5: Amp. y SC. J8,J11: C.

Placa medida: Esquema eléctrico Conector tensión externa Módulo de tensión Módulo de controlMódulo intermedio Módulo selector Control externo Conectores

Placa de medida: Layout Microinterr. PI16C711 Jumpers

Sumario Motivación y objetivos Métodos de medida Diseño y construcción de la placa de medida Circuitos analizados Montaje experimental Resultados experimentales Conclusiones

Circuitos analizados Microprocesador ARM7TDMI de 32 bits Multiplicador de Guild de 8x8 bits

Microprocesador ARM7TDMI AT91EB01 AT91R40807

Circuitos analizados Microprocesador ARM7TDMI de 32 bits Multiplicador de Guild de 8x8 bits

Multiplicador de Guild Relación entre la profundidad lógica-consumo Diferentes granularidades (1, 2, 4, 8, 15) Necesidad de una placa de acondicionamiento

Placa del multiplicador MÓDULO CLR MÓDULO INTERRUPTORES MULTIPLICADOR MÓDULO CLK PLACA ACONDICIONAMIENTO JUMPERS LFSR RELOJ EXTERNO CK

Placa multiplicador: Módulo CLK SELECCIÓN CLK CK CK/4 CK/8 CK/16 CK/2 CLR DIVISOR MUX

Placa multiplicador: Módulo LFSR LFSR XOR CLR CLK

Placa multiplicador: Módulo interruptores S2 (MSB) S1S0 (LSB) ‘1’ ‘0’ AL MÓDULO CLK gra1gra2gra8gra4gra15 AL MULTIPLICADOR

Placa multiplicador: Jumpers V VDD V DD J7 J6 J9 J8 PWR_PY PWR_CO

Placa multiplicador: Funcionamiento general CS15 CS8 CS4 CS2 CS1 CS2 CS4 CS8 CS15 CK  =1  =4  =2  =15  =8 INPUT DATA / 16 OUTPUT DATA / 16 DATAPATH + REG. SEG. BUFFERS REGISTROS E/S

Placa multiplicador: Esquema eléctrico MÓDULO INTERRUPTORES MULTIPLICADOR SALIDAS MÓDULO CLK LFSR MÓDULO CLR CONECTORES JUMPERS

Placa multiplicador: Layout CONECTORES JUMPERSMÓDULO INTERRUPTORES MULTIPLICADOR SALIDAS PULSADOR DE CLEAR SEÑAL RELOJ EXTERNO

Circuitos analizados Microprocesador ARM7TDMI de 32 bits Multiplicador de Guild de 8x8 bits

Sumario Motivación y objetivos Métodos de medida Diseño y construcción de la placa de medida Circuitos analizados Montaje experimental Resultados experimentales Conclusiones

Diagrama de tensiones ARM7TDMI REG (+5V) ARM7TDMI V VDD REG GND +8,5V V DD +3,3V GND FUENTE EXTERNA +12V GND PLACA EVALUACIÓN PLACA MEDIDA M GND Vcc (+5V)

PLACA DE EVALUACIÓN ARM7TDMI Montaje experimental: ARM7TDMI R11 R9 R8 R7 R6 J4 +12 V GND J14 J6 J PLACA DE MEDIDA f32 f4 f8 f16 F T J5 C DD J10 TG U9 J8 J11 PIC 16C711 U14 RESET SW2 U1 PMOS SW1 PUERTOSERIE +8.5 V

Fotografía del acoplo

AMPERÍMETRO J14 J6 +12 V GND PLACA DE MEDIDA J5 PLACA DE EVALUACIÓN J T ARM7TDMI f32 f4 f8 f V C DD mA ARM7TDMI: Método Amperímetro F PUERTOSERIE

OSCILOSCOPIO ARM7TDMI: Método Resistencia R11 R9 R8 R7 R6 J4J14 J6 +12 V GND PLACA DE EVALUACIÓN J ARM7TDMI PLACA DE MEDIDA f32 f4 f8 f16 F T J8 PUERTOSERIE +8.5 V J5 CANAL CANAL 1 CANAL 3 PC BUS GPIB Red ethernet

Obtención.vi

Imágenes método R 0V V VDD, T T VV  V,  E, P

OSCILOSCOPIO ARM7TDMI: Método Condensador J14 J6 +12 V GND PLACA DE EVALUACIÓN J ARM7TDMI +12 V )GND (0V V VDD V DD V CC (+5 V) trigger PLACA DE MEDIDA f32 f4 f8 f16 F T C DD J10 TG U9 J8 J11 PIC 16C711 U14 RESET SW2 U1 PMOS SW1 PUERTOSERIE +8.5 V CANAL 1

Imágenes Método Condensador Tiempo de abertura es la duración del programa C14 (Tántalo) C2 (SMD) Tiempo de abertura fijo (42,40  s) V DD T T VV  V,  E, P V DD,

ARM7TDMI: Método Sonda Corriente Componente continua no queda reflejada Picos de tensión redondeados

FUENTE EXTERNA +12V GND MUL PLACA MULTIPLICADOR PLACA MEDIDA Diagrama tensiones Multiplicador M REG V VDD GND ELECTRÓNiCA V DD GND V CC (+5V)

Montaje experimental: Multiplicador Measuring Board Multiplier Board J16 J1 4 J6 SW1 J11 J9 J6 J7 J8 C DD VC1 SW2 reset J5 J4 J8 J11 out(0) gnd SW J10 CK

Fotografía del acoplo

Measuring Board Multiplier Board J16 J1 4 J6 SW1 J11 J9 J6 J7 J8 C DD VC1 SW2 reset J5 J4 J8 J11 SW J10 CK Multiplicador: Método Amperímetro AMPERÍMETRO mA ANALIZADOR LÓGICO

Measuring Board Multiplier Board J16 J1 4 J6 SW1 J11 J9 J6 J7 J8 C DD VC1 SW2 reset J5 J4 J8 J11 out(0) gnd SW J10 CK Multiplicador: Método Resistencia OSCILOSCOPIO ANALIZADOR LÓGICO + - CANAL 1

Measuring Board Multiplier Board J16 J1 4 J6 SW1 J11 J9 J6 J7 J8 C DD VC1 SW2 reset J5 J4 J8 J11 OSCILOSCOPIO Multiplicador: Método Condensador out(0) gnd SW CK J10 CANAL 1

V DD Imágenes Método Condensador 2 1 V V T=51,4  S CK Caída de tensión asociada a 5 multiplicaciones f=100KHz,  =15, CORE ViVi Superposición caída de tensión asociada a 4 conjuntos de 25 multiplicaciones f=500KHz,  =15, CORE SE HA LOGRADO IDENTIFICAR EL CONSUMO LIGADO AL PRODUCTO QUE LO PRODUCE

Imágenes Método Condensador Consumo del reloj a f=200KHz, a las diferentes granularidades, CORE  V 15 V1V1 V2V2 V4V4 V8V8

Multiplicador: Método Sonda Corriente NO SE PUDO OBTENER MEDIDAS DEL CONSUMO

Sumario Motivación y objetivos Métodos de medida Diseño y construcción de la placa de medida Circuitos analizados Montaje experimental Resultados experimentales Conclusiones

Resultados Experimentales ARM7TDMI: Método R Vs. A Método de referencia: AMPERÍMETRO. Error máximo entre medidas: 3,26%

Método de referencia: Amperímetro Resultados Experimentales ARM7TDMI: Método C Vs. A Error elevado: Corrección como en el caso de la resistencia

Resultados Experimentales multiplicador: Método A Vs. C Potencia (W) granularidad f=100KHz  Error=4,29% f=500KHz  Error=11,71%

Sumario Motivación y objetivos Métodos de medida Diseño y construcción de la placa de medida Circuitos analizados Montaje experimental Resultados experimentales Conclusiones

Conclusiones Se han ensayado y comparado las diferentes técnicas experimentales de medida mediante la medida del consumo de dos CI Se ha evaluado el mérito relativo y se ha establecido un criterio objetivo para la elección de cada uno de ellos La metodología utilizada es completamente general y aplicable a cualquier CI si están disponibles las herramientas correspondientes

Conclusiones

Conclusiones Limitaciones: Para el multiplicador no se pueden generar secuencias pseudoaleatórias de f > 15MHz No se ha podido obtener el consumo del multiplicador para el método de la resistencia ni sonda de corriente

Conclusiones Mejoras: Obtención del consumo de programas cargados en memoria interna del ARM7TDMI Obtención del consumo del ARM7TDMI para el método de la sonda de corriente Automatizar el proceso de obtención de datos para cada uno de los métodos de medida analizados

Sumario Motivación y objetivos Métodos de medida Diseño y construcción de la placa de medida Circuitos analizados Montaje experimental Resultados experimentales Conclusiones

Técnicas experimentales para la medida de la corriente, energía y potencia consumida por un CI CMOS. Alejandro Peidro Palanca Director: Josep Rius Vázquez Noviembre 2001