功耗越低，同等电量下电子产品工作时间越长，便携性设备的电池容量和体积设计的困难度也会降低。例如，手机越做越薄，性能还不受影响，就是因为低功耗设计发挥了至关重要的作用。
功耗越大，耗能越多，产生的热量越多，各器件的工作性能就会受到影响。例如，手机使用时间较长时，会感觉手机发热，而且各应用软件也会出现卡顿的现象。
不考虑低功耗设计时，一个功能的实现方法可能较为繁琐，实现的器件增多，产品面积增大；同时，功耗过大时，就要考虑散热装置，这又增加了组装成本。 总之，低功耗设计有很多的优点，也是以后数字设计的发展趋势。
功耗类型一般可分为动态功耗、静态功耗和浪涌功耗。
动态功耗主要包括开关功耗（又称为翻转功耗）和短路功耗（又称为内部功耗）。
1、开关功耗
在 CMOS 数字电路中，对负载电容进行充放电时消耗的功耗为开关功耗。如下 CMOS 非门:
当 Vin = 0 时，上面的 PMOS 导通，下面的 NMOS 截止；VDD 对负载电容 Cload 进行充电。充电完成后，Vout 的电平为高。
当 Vin = 1 时，上面的 PMOS 截止，下面的 NMOS 导通，负载电容通过 NMOS 进行放电。放电完成后，Vout 的电平为低。
这样一开一闭的变化，即电源的充放电，就形成了开关功耗。开关功耗的计算公式如下所示：
其中，VDD 为供电电压，Cload 为后级电路等效的负载电容，Tr 为输入信号的翻转率。
2、短路功耗
信号的翻转不是在瞬时完成的。因此，在输入信号进行翻转时，PMOS 和 NMOS 总有一段时间是同时导通的，那么从电源 VDD 到地 VSS 之间就有了通路，形成短路电流，产生短路功耗。如下反相器电路图所示：
短路功耗的计算公式如下：
其中，Vdd 为供电电压，Tr 为翻转率，Q 为一次翻转过程中从电源流到地的电荷量。
静态功耗
在 CMOS 电路中，静态功耗主要是漏电流引起的功耗，往往与工艺有关。
漏电流的组成主要为：PN 结反向电流 I1、源极和漏极之间的亚阈值漏电流 I2、栅极漏电流（包括栅极和漏极之间的感应漏电流 I3）、栅极和衬底之间的隧道漏电流 I4。
一般情况下，漏电流主要是指栅极泄漏电流和亚阈值电流。对于超深亚微米工艺，隧道漏电流成为主要电流之一。
静态功耗的计算公式如下：
浪涌功耗
浪涌功耗是浪涌电流引起的功耗。浪涌电流是指开机或者唤醒时，器件流过的最大电流，因此浪涌电流也称为启动电流。浪涌功耗不是本次所讨论的内容。
下面是一种 library 工艺的前几行代码描述，包含功耗有关的参数，具体含义在注释中说明。
library (xxx) {
/* library head: xxx */
technology (cmos) ;
simulation : true ;
nom_process : 1 ;
nom_temperature : -40; //默认温度
nom_voltage : 0.81; //默认电压
voltage_map(VDD, 0.81); //定义lib中多个电压，包括以下几行
voltage_map(TVDD, 0.81);
voltage_map(VDDDST, 0.81);
voltage_map(VDDGR, 0.81);
voltage_map(VDDSRC, 0.81);
voltage_map(VSS, 0);
operating_conditions("ssg0p81vm40c"){ //一种corner定义
process : 1; /* SSGlobalCorner_LocalMC_MOS_MOSCAP-SSGlobalCorner_LocalMC_RES_BIP_DIO_DISRES */
temperature : -40;
voltage : 0.81;
tree_type : "balanced_tree";
}
default_operating_conditions : ssg0p81vm40c ;
capacitive_load_unit (1,pf) ; //定义电容单位
voltage_unit : "1V" ; //定义电压单位
current_unit : "1mA" ; //定义电流单位
time_unit : "1ns" ; //定义时间单位
pulling_resistance_unit : "1kohm";
define_cell_area (pad_drivers,pad_driver_sites) ;
……
一个 library 中会有多个基本功能单元，用关键字 cell 声明，也包含了多种功耗信息。
cell (AN2D0BWP7T40P140) {
area : 0.392;
cell_footprint : "an2d1";
pg_pin (VDD) { //电源引脚
pg_type : primary_power;
voltage_name : VDD;
}
……
pin(A1) { //输入信号引脚
driver_waveform_fall : "tcbn22ullbwp7t40p140ssg0p81vm40c:fall";
driver_waveform_rise : "tcbn22ullbwp7t40p140ssg0p81vm40c:rise";
direction : input;
related_ground_pin : VSS; //输入引脚地端
related_power_pin : VDD; //输入引脚电压
capacitance : 0.000418924 ; //输入引脚电容
……
}
pin(Z) {
direction : output;
power_down_function : "!VDD + VSS";
function : "(A1 A2)";
related_ground_pin : VSS; //输出引脚地端
related_power_pin : VDD; //输出引脚电压
max_capacitance : 0.04182; //输出引脚最大电容
min_capacitance : 0.00013; //输出引脚最小电容
……
}
此时，如果再知道翻转率，就可以计算出动态功耗。
翻转率(Toggle rate，Tr)，指单位时间内信号(包括时钟、数据等信号) 的翻转次数。如下所示，信号在 40ns 时间内跳转了 4 次，则翻转率为 Tr = 4/4ns = 0.1GHz。
cell 定义中，内部功耗会有如下定义。
internal_power() {
related_pin : "A1" ;
related_pg_pin : VDD ;
rise_power(power_template_8x8) { //内部功耗查找表
index_1("0.0026, 0.0101, 0.0252, 0.0553, 0.1155, 0.236, 0.4769, 0.9587");
index_2("0.00013, 0.00046, 0.00112, 0.00243, 0.00506, 0.01031, 0.02081, 0.04182");
values ( \
"0.000249215, 0.000254481, 0.000262354, 0.000261007, 0.00026381, 0.000277799, 0.000304295, 0.000345046", \
"0.000239751, 0.000248667, 0.000255454, 0.0002551, 0.000268563, 0.000275995, 0.000294669, 0.000336529", \
……
);
}
fall_power(power_template_8x8) { //内部功耗查找表
index_1("0.0026, 0.0101, 0.0252, 0.0553, 0.1155, 0.236, 0.4769, 0.9587");
index_2("0.00013, 0.00046, 0.00112, 0.00243, 0.00506, 0.01031, 0.02081, 0.04182");
values ( \
"0.000577367, 0.000584652, 0.000589472, 0.000591623, 0.000592223, 0.000591943, 0.00059185, 0.000592132", \
"0.000563896, 0.000570743, 0.000576589, 0.000579818, 0.000580794, 0.00057962, 0.000579997, 0.000579136", \
"0.000550059, 0.000555794, 0.00056188, 0.000565568, 0.000567663, 0.000567231, 0.000567712, 0.00056745", \
……
);
}
}
cell 的内部功耗与其转换时间和输出电容负载有关。根据输入转换时间和输出电容的大小，在工艺库中进行查表，得到上升功耗和下降功耗，再根据下面公式进行计算，可得到总的内部功耗:
cell 定义中，静态功耗（漏电功耗）会有如下定义。
leakage_power () {
value : 0.059561;
related_pg_pin : VDD;
}
leakage_power () {
value : 0.048082;
when : "!A1 !A2 !Z";
related_pg_pin : VDD;
}
leakage_power () {
value : 0.053318;
when : "!A1 A2 !Z";
related_pg_pin : VDD;
}
……
静态功耗跟 cell 的状态有关，也就是输入输出信号在不同的状态下，功耗也会有所差异。通过状态进行查表，就可以得到相应的静态功耗了。 实际分析功耗时，不会手动的去查找相关参数来计算功耗，否则工作量会大到难以估计。往往是借助一些功耗分析工具，提取这些标准单元库的功耗信息进行整合计算。
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