隨著對行動運算和手持設備的需求日益增長,系統設計從離散元件轉向高度整合的系統單晶片(SoC),同時後端伺服器需要更快的運算處理能力,以滿足不斷增長的資料處理需求。其中的一個趨勢是開發環保且使用壽命更長的電池,這就要求更複雜的電源管理方案,穩壓器在其中扮演了關鍵角色,因此如何置放穩壓器對於提高性能至關重要。

圖1是一個典型的穩壓器,「電源供應單元(Power Supply Unit)」是穩壓器的電源來源。伺服器、桌上型電腦和筆記型電腦的電源通常是12V,行動設備的電源是3.3V。1.0V穩壓器通常用於核心數位電路的供電,而IO通常為1.8V。「閘極驅動器」的工作週期決定了開關穩壓器的輸出電壓,低通L-C濾波器的採用是為了消除輸出電壓軌上的波紋,而為了為敏感的類比電路供電,使用單獨的LDO。

20190416TA01P1 圖1 典型的穩壓器。

將穩壓器置於裸晶片上是因為以下的幾個優點:

˙更精細、更快速的電源管理:片上穩壓器可以更好地控制關閉未使用的電路從而節省功耗。對於片外穩壓器,從睡眠狀態喚醒所需的時間是微秒(μs)級,而片上穩壓器則是奈秒(ns)級。這有助於提供更嚴格的功耗控制,對掌上型設備而言就是延長了的電池使用壽命,對伺服器則是降低了散熱成本。

˙降低I2R功耗:一個典型的伺服器處理器在滿負載時的功率是65W。如果電壓為1V,就需要傳送65A電流,這麼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損耗的減小也可以縮小板尺寸。

˙節省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。透過將穩壓器置放在裸片上,可以去除與之相關的元件,從而節省PCB面積並減少BOM。

既然片上穩壓器有這些好處,為什麼有些設計仍然傾向於片外穩壓器呢?為了回答這個問題,本文先討論穩壓器的構建模組,以及使用片上穩壓器或片外穩壓器的利弊權衡。

˙電力傳送電路(Power Train):電力傳送電路為穩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。在所有的穩壓器中,VIN到濾波器的路徑都是PFET或NFET開關。另一方面,從濾波器到地面的路徑不是二極體就是NFET,在這兩條路徑上使用FET可以得到更好的電壓調節性能。第一個權衡是FET上的額定電壓,片外FET有幾種類型並且可以支援超過400V的電壓,相比之下,片上FET由於採用典型的CMOS製程,最多可以支援3.3V電壓,而對於處理器,最多只能支援2V電壓。

另一個權衡是電力傳送電路的功耗。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計。電力傳送電路置於裸片上可以提供高達幾百MHz的開關頻率,從而減小濾波器尺寸。另外電力傳送電路在裸片上也會使電源引腳的數量增加一倍,因為需要額外的引腳將電力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,用來抑制輸出端的波紋電壓。穩壓器所需的電感通常較大,因此電感不能置於裸片上。片外穩壓器使用現成的SMD電感,片上穩壓器因為允許更高的開關頻率,有利於減小所需電感的尺寸而達到同樣的效率,並可透過PCB走線來實現。這樣做能減少PCB上的元件數量,但代價是增加了直流電阻,從而增加損耗。

˙電容:電容用來減少穩壓器輸出端的波紋。對於片外穩壓器,由於開關頻率較低,需要較大的電容來抑制波紋。採用帶高頻開關的片上穩壓器,可以使板上電容變小,甚至可以除去電容。然而,這在裸片上還是佔據了相當大的面積,並且比起片外電容其等效串聯電阻(ESR)通常更高。

˙控制器:電壓調節迴路控制器對穩壓器的放置幾乎沒什麼影響。對於片外穩壓器,控制器使用一個單獨的晶片;而對於片上穩壓器,控制器是裸片上控制迴路的一部分。片上控制器的優點是可以更好地控制調壓回路,而且控制器可在數位領域內實現,因而在技術變化時可重複使用。

最後,穩壓器是放置在片上還是片外,還是要根據實際應用來決定。當負載電流小,輸入電壓高,容許較慢的喚醒和睡眠,或者電源管理細微性不是很重要時,片外穩壓器是比較好的選擇。基於這些原因,LED燈通常用片外穩壓器供電。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細微性,則片上穩壓器是更好的選擇。典型的台式電腦/伺服器處理器就是使用片上穩壓器幫助改善電源管理的一個例子。

(參考原文: Tradeoffs between On-Die and Off-Die Voltage Regulators,by Siddharth Katare)