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片上稳压器和片外稳压器的利弊权衡

时间:2019-04-09 作者:Siddharth Katare 阅读:
随着对移动计算和手持设备的需求日益增长,系统设计从分立器件转向高度集成的系统级芯片(SoC),同时后端服务器需要更快的计算处理能力,以满足不断增长的数据处理需求。这就要求更复杂的电源管理方案,稳压器在其中扮演了关键角色,因此如何置放稳压器对于提高性能至关重要。

随着对移动计算和手持设备的需求日益增长,系统设计从分立器件转向高度集成的系统级芯片(SoC),同时后端服务器需要更快的计算处理能力,以满足不断增长的数据处理需求。其中的一个趋势是开发环保且使用寿命更长的电池。这就要求更复杂的电源管理方案,稳压器在其中扮演了关键角色,因此如何放置稳压器对于提高性能至关重要。

图1是一个典型的稳压器。“电源设备(Power Supply Unit)”是稳压器的电源。服务器、台式机和笔记本电脑的电源通常是12V,移动设备的电源是3.3V。1.0V稳压器通常用于核心数字电路的供电,而IO通常为1.8V。“栅极驱动器”的占空比决定了开关稳压器的输出电压。低通LC滤波器的采用是为了消除输出电压轨上的纹波。为了给敏感的模拟电路供电,使用单独的LDO。

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图1:典型的稳压器。

将稳压器置于裸片上是因为下面的几个好处:

• 更精细、更快速的电源管理:片上稳压器可以更好地控制关闭未使用的电路从而节省功耗。对于片外稳压器,从睡眠状态唤醒所需的时间是微秒(μs)级,而片上稳压器则是纳秒(ns)级。这有助于提供更严格的功耗控制,对掌上设备而言就是延长了电池的使用寿命,对服务器则是降低了散热成本。

• 降低I2R功耗:一个典型的服务器处理器在满负荷时的功率是65W。如果电压为1V,就需要传送65A电流,这么大的电流需要较宽的走线以保证低I2R损耗。若在2V电压下提供相同的功率,电流减小到一半(32.5A),在I2R损耗相同的情况下走线宽度变小。I2R损耗的减小也可以减小板尺寸。

• 节省pcb面积:pcb的可用面积非常宝贵,减小pcb面积就可以缩小外形尺寸。通过将稳压器放置在裸片上,可以去除与之相关的元件,从而节省pcb面积并减少BOM。

既然片上稳压器有这些好处,为什么有些设计仍然倾向于片外稳压器呢?为了回答这个问题,我们先来讨论稳压器的构建模块以及使用片上稳压器或片外稳压器的利弊权衡。

• 电源传送电路(Power Train):电源传送电路为稳压器提供了两条传导路径,一条是从VIN到滤波器,另一条是从滤波器到地。在所有的稳压器中,VIN到滤波器的路径都是PFET或NFET开关。另一方面,从滤波器到地的路径要么是二极管要么是NFET。在这两条路径上使用FET可以得到更好的电压调节性能。第一个权衡是FET上的额定电压。片外FET有几种类型并且可以支持超过400V的电压。相比之下,片上FET由于采用典型的CMOS工艺,最多可以支持3.3V电压,而对于处理器,最多只能支持2V电压。

• 另一个权衡是电源传送电路的功耗。片外FET有额外的空间来散热,但片上FET没有,这就增加了整个裸片温度,需要额外的散热管理设计。电源传送电路置于裸片上可以提供高达几百兆赫的开关频率,从而减小滤波器尺寸。另外电源传送电路在裸片上也会使电源引脚的数量增加一倍,因为需要额外的引脚将电源传送电路的输出连接到滤波器。

• 电感:电感与电容一起形成低通滤波器,用来抑制输出端的纹波电压。稳压器所需的电感通常较大,因此电感不能置于裸片上。片外稳压器使用现成的SMD电感。片上稳压器因为允许更高的开关频率,有利于减小所需电感的尺寸而达到同样的效率,并可通过pcb走线来实现。这样做能减少pcb上的元器件数量,但代价是增加了直流电阻,从而增加损耗。

• 电容器:电容器用来减少稳压器输出端的纹波。对于片外稳压器,由于开关频率较低,需要较大的电容器来抑制纹波。采用带高频开关的片上稳压器,可以使板上电容器变小,甚至可以除去电容器。然而,这在裸片上还是占据了相当大的面积,并且比起片外电容器,其ESR(等效串联电阻)通常更高。

• 控制器:电压调节回路控制器对稳压器的放置几乎没什么影响。对于片外稳压器,控制器使用一个单独的芯片;而对于片上稳压器,控制器是裸片上控制回路的一部分。片上控制器的优点是可以更好地控制调压回路,而且控制器可在数字领域内实现,因而在技术变化时可重复使用。

最后,稳压器是放置在片上还是片外,还是要根据实际应用来决定。当负载电流小,输入电压高,容许较慢的唤醒和睡眠,或者电源管理粒度不是很重要时,片外稳压器是比较好的选择。基于这些原因,LED灯通常用片外稳压器供电。相反,如果负载电流大,输入电压低,有效操作需要快速唤醒或更细的粒度,则片上稳压器是更好的选择。典型的桌面/服务器处理器就是使用片上稳压器帮助改善电源管理的一个例子。

(原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站,参考链接:Tradeoffs between On-Die and Off-Die Voltage Regulators。)

本文为《电子技术设计》2019年4月刊杂志文章。

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