片上穩(wěn)壓器和片內(nèi)穩(wěn)壓器的作用

什么是片上穩(wěn)壓器和片內(nèi)穩(wěn)壓器？它們的功能是什么？隨著對移動計算和手持設備需求的不斷增長，系統(tǒng)設計從分離器件轉(zhuǎn)向高度集成的系統(tǒng)芯片(SoC)，同時，后端服務器需要更快的計算和處理能力，以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求。其中一個趨勢是開發(fā)環(huán)保、使用壽命長的電池。這需要更復雜的電源管理方案，其中穩(wěn)壓器起著關(guān)鍵作用，因此如何放置穩(wěn)壓器對提高性能至關(guān)重要。

典型的穩(wěn)壓器。電源設備(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， 是移動設備的電源3.3V。1.0V 穩(wěn)壓器通常用于核心數(shù)字電路的供電，IO 通常為 1.8V。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓取決于柵極驅(qū)動器的比例。LC 濾波器的使用是為了消除輸出電壓軌上的紋波。單獨使用 LDO。

由于以下優(yōu)點，將穩(wěn)壓器放在裸片上：

?更精細、更快的電源管理：片上穩(wěn)壓器可以更好地控制和關(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)喚醒所需的時間為微秒(μs)等級，片上器是納秒(ns)等級。這有助于提供更嚴格的功耗控制，延長電池的使用壽命，降低服務器的散熱成本。

?降低 I2R 功耗：服務器處理器滿載時的典型功率 65W。若電壓為 1V，65需要傳輸A 電流，如此大的電流需要較寬的布線，以確保低 I2R 損失。如果是 2V 在電壓下提供相同的功率，電流減少到一半(32.5A)，在 I2R 損失相同時，線寬變小。I2R 減少損失也可以減少板的尺寸。

?節(jié)省 PCB 面積：PCB 的可用面積非常寶貴，可以減少 PCB 面積可以縮小外觀尺寸。將穩(wěn)壓器放在裸片上，可以去除相關(guān)部件，節(jié)省 PCB 面積并減少 BOM。

既然片上的穩(wěn)壓器有這些優(yōu)點，為什么有些設計仍然傾向于片外的穩(wěn)壓器？為了回答這個問題，我們首先討論了穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)模塊以及使用片上或片外穩(wěn)壓器的優(yōu)缺點。

?電源傳輸電路(Power Train)：電源傳輸電路為穩(wěn)壓器提供了兩條傳輸路徑，一條來自 VIN 到濾波器，另一個是從濾波器到地面。在所有穩(wěn)壓器中，VIN 過濾器的路徑是 PFET 或 NFET 開關(guān)。另一方面，從濾波器到地面的路徑要么是二極管，要么是 NFET。用于這兩條路徑FET 可以獲得更好的電壓調(diào)節(jié)性能。第一個權(quán)衡是 FET 額定電壓。FET 有幾種 可以支持4000多種 V 電壓。相比之下，片上 FET使用典型的 CMOS 工藝較多可支持 3.3V 電壓，對于處理器，較多只能支持 2V 電壓。

?另一個權(quán)衡是電源傳輸電路的功耗。FET 有額外的散熱空間，但片上 FET 不，這增加了裸片的整體溫度，需要額外的散熱管理設計。裸片上的電源傳輸電路可以提供數(shù)百兆赫的開關(guān)頻率，從而降低濾波器的尺寸。此外，裸片上的電源傳輸電路也會使電源引腳的數(shù)量翻倍，因為電源傳輸電路的輸出需要額外的引腳連接到濾波器。

?電感：電感器和電容器形成低通濾波器，以抑制輸出端的紋波電壓。穩(wěn)壓器通常需要更大的電感，所以電感不能放在裸片上。現(xiàn)成 D 電感。片上的穩(wěn)壓器效率相同，因為它允許更高的開關(guān)頻率，有利于降低所需電感的尺寸，并且可以通過 PCB 走線實現(xiàn)。這可以減少 PCB 上部組件的數(shù)量，但成本是增加直流電阻，從而增加損耗。

?電容器：電容器用于減少穩(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。帶有高頻開關(guān)的片上穩(wěn)壓器可以減少板上的電容器，甚至去除電容器。然而，與片外電容器相比，它仍然占據(jù)了相當大的裸片面積ESR(等效串聯(lián)電阻)通常更高。

?控制器:電壓調(diào)節(jié)電路控制器對穩(wěn)壓器的放置影響不大。對于片外穩(wěn)壓器，控制器使用單獨的芯片；對于片上的穩(wěn)壓器，控制器是片上控制電路的一部分。片上控制器的優(yōu)點是可以更好的控制調(diào)壓電路，控制器可以在數(shù)字領域?qū)崿F(xiàn)，所以可以在技術(shù)變化時重復使用。

最后，穩(wěn)壓器是放置在片上還是片外，還是根據(jù)實際應用確定。當負載電流小、輸入電壓高、喚醒和睡眠緩慢或電源管理粒度不重要時，片外穩(wěn)壓器是更好的選擇。基于這些原因，LED 燈通常由片外穩(wěn)壓器供電。相反，如果負載電流大，輸入電壓低，需要快速喚醒或更細的粒度才能有效操作，則片上的穩(wěn)壓器是更好的選擇。典型的桌面 / 服務器處理器就是利用片上的穩(wěn)壓器來幫助改善電源管理的一個例子。以上是片上穩(wěn)壓器和片內(nèi)穩(wěn)壓器的相關(guān)分析，以及它們在芯片中的作用。