【導讀】隨著對移動計算和手持設備的需求日益增長，系統設計從分立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處理能力，以滿足不斷增長的數據處理需求。其中的一個趨勢是開發環保且使用壽命更長的電池。這就要求更復雜的電源管理方案，穩壓器在其中扮演了關鍵角色，因此如何放置穩壓器對于提高性能至關重要。
隨著對移動計算和手持設備的需求日益增長，系統設計從分立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處理能力，以滿足不斷增長的數據處理需求。其中的一個趨勢是開發環保且使用壽命更長的電池。這就要求更復雜的電源管理方案，穩壓器在其中扮演了關鍵角色，因此如何放置穩壓器對于提高性能至關重要。
圖 1 是一個典型的穩壓器。“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，而 IO 通常為 1.8V。“柵極驅動器”的占空比決定了開關穩壓器的輸出電壓。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：典型的穩壓器。
將穩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：片上穩壓器可以更好地控制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是微秒(μs)級，而片上穩壓器則是納秒(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。
既然片上穩壓器有這些好處，為什么有些設計仍然傾向于片外穩壓器呢?為了回答這個問題，我們先來討論穩壓器的構建模塊以及使用片上穩壓器或片外穩壓器的利弊權衡。
• 電源傳送電路（Power Train）：電源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節性能。第一個權衡是 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。這樣做能減少 PCB 上的元器件數量，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。采用帶高頻開關的片上穩壓器，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了相當大的面積，并且比起片外電容器，其 ESR（等效串聯電阻）通常更高。
• 控制器：電壓調節回路控制器對穩壓器的放置幾乎沒什么影響。對于片外穩壓器，控制器使用一個單獨的芯片；而對于片上穩壓器，控制器是裸片上控制回路的一部分。片上控制器的優點是可以更好地控制調壓回路，而且控制器可在數字領域內實現，因而在技術變化時可重復使用。
最后，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，或者電源管理粒度不是很重要時，片外穩壓器是比較好的選擇。基于這些原因，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粒度，則片上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穩壓器幫助改善電源管理的一個例子。
