片上穩壓器和片內穩壓器的作用

片上穩壓器和片內穩壓器的作用

什么是片上穩壓器和片內穩壓器？它們的作用是什么？隨著我們對移動計算和手持設備需求的不斷增長，系統設計從分離器件轉向高度集成的系統級芯片(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據處理需求。其中一個趨勢是開發環保、使用壽命長的電池。這需要更復雜的電源管理方案，其中穩壓器起著關鍵作用，因此如何放置穩壓器對提高性能至關重要。

典型的穩壓器。電源設備(Power Supply Unit)是穩壓器的電源。服務器、臺式機和筆記本電腦的電源通常是 12V，移動設備的電源是 3.3V。1.0V 穩壓器通常用于核心數字電路的供電， IO 通常為 1.8V。開關穩壓器的輸出電壓取決于柵極驅動器的比例。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。

由于以下優點，將穩壓器放在裸片上：

?更精細、更快的電源管理：片上穩壓器可以更好地控制和關閉未使用的電路，從而節省功耗。對于片外穩壓器，從睡眠狀態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:服務器處理器滿負荷時的典型功率 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 損耗相同時，線寬變小。I2R 減少損失也可以減少板的尺寸。

?節省 PCB 面積：PCB 的可用面積非常寶貴，可以減少 PCB 面積就可以縮小外形尺寸。通過將穩壓器放置在裸片上，可以去除與之相關的元件，從而節省 PCB 面積并減少 BOM。

既然片上的穩壓器有這些優點，為什么有些設計仍然傾向于片外的穩壓器呢？為了回答這個問題，我們首先討論了穩壓器的構造模塊以及使用片上或片外穩壓器的優缺點。

?電源傳輸電路(Power Train)：電源傳輸電路為穩壓器提供了兩條傳導路徑，一條是從 VIN 到濾波器，另一個是從濾波器到地面。在所有穩壓器中，VIN 過濾器的路徑是 PFET 或 NFET 開關。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 能獲得更好的電壓調節性能。第一個權衡是 FET 額定電壓。FET 有幾種類型的 可以支持4000以上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百兆赫的開關頻率，從而減小濾波器的尺寸。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：電感與電容器形成低通濾波器，以抑制輸出端的紋波電壓。穩壓器通常需要更大的電感，所以電感不能放在裸片上。現成的 ** D 電感。片上的穩壓器具有相同的效率，因為它允許更高的開關頻率，有利于降低所需電感的尺寸，并且可以通過 PCB 走線實現。這可以減少 PCB 上部組件的數量，但成本是增加直流電阻，從而增加損耗。

?電容器：電容器用于減少穩壓器輸出端的紋波。對于片外穩壓器，由于開關頻率較低，需要較大的電容器來抑制紋波。帶有高頻開關的片上穩壓器可以使板上的電容器變小，甚至可以去除電容器。然而，這仍然占據了相當大的裸片面積，與片外電容器相比ESR(等效串聯電阻)通常更高。

?控制器:電壓調節電路控制器對穩壓器的放置影響不大。對于片外穩壓器，控制器使用單獨的芯片；對于片上的穩壓器，控制器是裸片上控制電路的一部分。片上控制器的優點是可以更好地控制調壓電路，控制器可以在數字領域實現，因此可以在技術變化時重復使用。

最后，穩壓器是放置在片上還是片外，還是根據實際應用確定。當負載電流小，輸入電壓高，喚醒和睡眠緩慢，或電源管理粒度不太重要時，片外穩壓器是更好的選擇。基于這些原因，LED 燈通常由片外穩壓器供電。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粒度，則片上的穩壓器是更好的選擇。典型的桌面 / 服務器處理器就是使用片上的穩壓器來幫助改善電源管理的一個例子。以上是片上穩壓器和片內穩壓器的相關分析，以及它們在芯片中的作用。