5.4 電源・リセット・I/O設計の基礎
5.4 Fundamentals of Power, Reset, and I/O Design
SoCを安定して動作させるには、電源・リセット・I/Oインタフェースの設計が不可欠です。
To ensure stable operation of an SoC, careful design of power, reset, and I/O interfaces is essential.
本節では、それぞれの構成要素がどのようにSoCに組み込まれるかを概観し、
This section provides an overview of how each component is implemented in SoC design,
実践的な設計視点・制約・注意点を学びます。
along with practical design considerations and constraints.
🔋 電源設計の基本｜Power Supply Design Basics
▶ 主な電源種類｜Types of Power Supplies
| 電源名 / Supply | 用途 / Purpose | 電圧例 / Voltage Example |
|---|---|---|
| コア電源（VDD） | 内部ロジック回路用 Core Logic | 0.8V–1.2V |
| I/O電源（VDDIO） | パッド制御・外部通信 I/O Driving | 1.8V / 3.3V |
| アナログ電源（VDDA） | PLL・ADC用 Analog Modules | 専用安定電源 Stable LDO |
▶ 設計上の考慮点｜Design Considerations
- IRドロップの抑制 → パワーグリッド最適化
Suppress IR drop → Optimize power grid
- デカップリングコンデンサ配置
Place decoupling capacitors
- GNDバウンス対策
Minimize ground bounce
🔁 リセット回路の基本構成｜Reset Circuit Basics
SoCではパワーオン時の初期化が必要です。
A proper reset is required to initialize the SoC after power-on.
▶ 一般的な構成（Mermaid形式）｜Typical Reset Topology (Mermaid)
flowchart TD
RST[🔁 Reset Input] --> GEN[🧩 Reset Generator]
GEN --> SYSRESET[🔄 System Reset Signal]
SYSRESET --> INIT[📦 Module Initialization Signals]
▶ 設計の注意点｜Key Design Points
| 観点 / Point | 解説 / Description |
|---|---|
| 非同期／同期リセット | クロックと整合（競合回避） Asynchronous vs. synchronous |
| グローバルリセット | 複数クロックドメインでの共通リセット Across clock domains |
| メタステーブル対策 | リセット解除時の不安定性回避 Metastability handling |
⬅️ I/O設計とパッドリング｜I/O Design and Pad Ring
▶ パッドセルの役割｜Pad Cell Role
- 内部回路と外部ピンとの電気インタフェース
Electrical interface between core and external pins
- ESD保護素子・バッファ・制御回路を内蔵
Includes ESD protection, buffers, and control logic
▶ パッドリング設計の要点｜Key Aspects of Pad Ring Design
| 項目 / Item | 解説 / Description |
|---|---|
| 配置 | チップ外周に均等配置 Uniformly around chip boundary |
| 電源分離 | コアとI/Oで電源分離 Separate power for logic and I/O |
| ESD保護 | ダイオードや保護素子で静電気対策 ESD diodes for protection |
🔧 教育的演習例｜Educational Exercises
| テーマ / Theme | 内容 / Activity |
|---|---|
| 電源IRドロップのシミュレーション | パワーグリッド設計と降下分析 |
| リセット波形の比較 | 同期 / 非同期の挙動を観察 |
| I/Oパッド構造のGDS観察 | バッファ / 保護素子の視覚化 |
📘 まとめと次節への導入｜Summary & Next Chapter
電源・リセット・I/Oは、チップの動作安定性・外部接続に欠かせません。
These components are essential for both operational stability and external interfacing.
次節では、SoC設計の製造後に向けたテスト設計（DFT, スキャン, JTAG, BIST）を学びます。
The next section introduces test-oriented circuit structures for manufacturing validation.
👉 5.5 テスト構造（スキャン、JTAG、BIST）｜Test Structures