【導讀】隨著對移動計算和手持設(shè)備的需求日益增長，系統(tǒng)設(shè)計從分立器件轉(zhuǎn)向高度集成的系統(tǒng)級芯片（SoC），同時后端服務器需要更快的計算處理能力，以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求。其中的一個趨勢是開發(fā)環(huán)保且使用壽命更長的電池。這就要求更復雜的電源管理方案，穩(wěn)壓器在其中扮演了關(guān)鍵角色，因此如何放置穩(wěn)壓器對于提高性能至關(guān)重要。
隨著對移動計算和手持設(shè)備的需求日益增長，系統(tǒng)設(shè)計從分立器件轉(zhuǎn)向高度集成的系統(tǒng)級芯片（SoC），同時后端服務器需要更快的計算處理能力，以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求。其中的一個趨勢是開發(fā)環(huán)保且使用壽命更長的電池。這就要求更復雜的電源管理方案，穩(wěn)壓器在其中扮演了關(guān)鍵角色，因此如何放置穩(wěn)壓器對于提高性能至關(guān)重要。
圖 1 是一個典型的穩(wěn)壓器。“電源設(shè)備（Power Supply Unit）”是穩(wěn)壓器的電源。服務器、臺式機和筆記本電腦的電源通常是 12V，移動設(shè)備的電源是 3.3V。1.0V 穩(wěn)壓器通常用于核心數(shù)字電路的供電，而 IO 通常為 1.8V。“柵極驅(qū)動器”的占空比決定了開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓。低通 LC 濾波器的采用是為了消除輸出電壓軌上的紋波。為了給敏感的模擬電路供電，使用單獨的 LDO。
圖 1：典型的穩(wěn)壓器。
將穩(wěn)壓器置于裸片上是因為下面的幾個好處：
• 更精細、更快速的電源管理：片上穩(wěn)壓器可以更好地控制關(guān)閉未使用的電路從而節(jié)省功耗。對于片外穩(wěn)壓器，從睡眠狀態(tài)喚醒所需的時間是微秒(μs)級，而片上穩(wěn)壓器則是納秒(ns)級。這有助于提供更嚴格的功耗控制，對掌上設(shè)備而言就是延長了電池的使用壽命，對服務器則是降低了散熱成本。
• 降低 I2R 功耗：一個典型的服務器處理器在滿負荷時的功率是 65W。如果電壓為 1V，就需要傳送 65A 電流，這么大的電流需要較寬的走線以保證低 I2R 損耗。若在 2V 電壓下提供相同的功率，電流減小到一半（32.5A），在 I2R 損耗相同的情況下走線寬度變小。I2R 損耗的減小也可以減小板尺寸。
• 節(jié)省 PCB 面積：PCB 的可用面積非常寶貴，減小 PCB 面積就可以縮小外形尺寸。通過將穩(wěn)壓器放置在裸片上，可以去除與之相關(guān)的元件，從而節(jié)省 PCB 面積并減少 BOM。
既然片上穩(wěn)壓器有這些好處，為什么有些設(shè)計仍然傾向于片外穩(wěn)壓器呢?為了回答這個問題，我們先來討論穩(wěn)壓器的構(gòu)建模塊以及使用片上穩(wěn)壓器或片外穩(wěn)壓器的利弊權(quán)衡。
• 電源傳送電路（Power Train）：電源傳送電路為穩(wěn)壓器提供了兩條傳導路徑，一條是從 VIN 到濾波器，另一條是從濾波器到地。在所有的穩(wěn)壓器中，VIN 到濾波器的路徑都是 PFET 或 NFET 開關(guān)。另一方面，從濾波器到地的路徑要么是二極管要么是 NFET。在這兩條路徑上使用 FET 可以得到更好的電壓調(diào)節(jié)性能。第一個權(quán)衡是 FET 上的額定電壓。片外 FET 有幾種類型并且可以支持超過 400V 的電壓。相比之下，片上 FET 由于采用典型的 CMOS 工藝，最多可以支持 3.3V 電壓，而對于處理器，最多只能支持 2V 電壓。
• 另一個權(quán)衡是電源傳送電路的功耗。片外 FET 有額外的空間來散熱，但片上 FET 沒有，這就增加了整個裸片溫度，需要額外的散熱管理設(shè)計。電源傳送電路置于裸片上可以提供高達幾百兆赫的開關(guān)頻率，從而減小濾波器尺寸。另外電源傳送電路在裸片上也會使電源引腳的數(shù)量增加一倍，因為需要額外的引腳將電源傳送電路的輸出連接到濾波器。
• 電感：電感與電容一起形成低通濾波器，用來抑制輸出端的紋波電壓。穩(wěn)壓器所需的電感通常較大，因此電感不能置于裸片上。片外穩(wěn)壓器使用現(xiàn)成的 SMD 電感。片上穩(wěn)壓器因為允許更高的開關(guān)頻率，有利于減小所需電感的尺寸而達到同樣的效率，并可通過 PCB 走線來實現(xiàn)。這樣做能減少 PCB 上的元器件數(shù)量，但代價是增加了直流電阻，從而增加損耗。
• 電容器：電容器用來減少穩(wěn)壓器輸出端的紋波。對于片外穩(wěn)壓器，由于開關(guān)頻率較低，需要較大的電容器來抑制紋波。采用帶高頻開關(guān)的片上穩(wěn)壓器，可以使板上電容器變小，甚至可以除去電容器。然而，這在裸片上還是占據(jù)了相當大的面積，并且比起片外電容器，其 ESR（等效串聯(lián)電阻）通常更高。
• 控制器：電壓調(diào)節(jié)回路控制器對穩(wěn)壓器的放置幾乎沒什么影響。對于片外穩(wěn)壓器，控制器使用一個單獨的芯片；而對于片上穩(wěn)壓器，控制器是裸片上控制回路的一部分。片上控制器的優(yōu)點是可以更好地控制調(diào)壓回路，而且控制器可在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)，因而在技術(shù)變化時可重復使用。
最后，穩(wěn)壓器是放置在片上還是片外，還是要根據(jù)實際應用來決定。當負載電流小，輸入電壓高，容許較慢的喚醒和睡眠，或者電源管理粒度不是很重要時，片外穩(wěn)壓器是比較好的選擇。基于這些原因，LED 燈通常用片外穩(wěn)壓器供電。相反，如果負載電流大，輸入電壓低，有效操作需要快速喚醒或更細的粒度，則片上穩(wěn)壓器是更好的選擇。典型的桌面 / 服務器處理器就是使用片上穩(wěn)壓器幫助改善電源管理的一個例子。
