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(zhù)我們對移動(dòng)計算和手持設備需求的不斷增長(cháng)，系統設計從分離器件轉向高度集成的系統級芯片(SoC)，同時(shí)，后端服務(wù)器需要更快的計算和處理能力，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的數據處理需求。其中一個(gè)趨勢是開(kāi)發(fā)環(huán)保、使用壽命長(cháng)的電池。這需要更復雜的電源管理方案，其中穩壓器起著(zhù)關(guān)鍵作用，因此如何放置穩壓器對提高性能至關(guān)重要。

典型的穩壓器。電源設備(Power Supply Unit)是穩壓器的電源。服務(wù)器、臺式機和筆記本電腦的電源通常是 12V，移動(dòng)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(kāi)關(guān)穩壓器的輸出電壓取決于柵極驅動(dòng)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(yōu)點(diǎn)，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(guān)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(tài)喚醒所需的時(shí)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(cháng)電池的使用壽命，降低服務(wù)器的散熱成本。

?降低 I2R 功耗:服務(wù)器處理器滿(mǎn)負荷時(shí)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(xiàn)，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(shí)，線(xiàn)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(guò)將穩壓器放置在裸片上，可以去除與之相關(guān)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(yōu)點(diǎn)，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(gè)問(wèn)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(yōu)缺點(diǎn)。

?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(gè)是從濾波器到地面。在所有穩壓器中，VIN 過(guò)濾器的路徑是 PFET 或 NFET 開(kāi)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 能獲得更好的電壓調節性能。第一個(gè)權衡是 FET 額定電壓。FET 有幾種類(lèi)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(gè)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(kāi)關(guān)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(huì )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?，F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(kāi)關(guān)頻率，有利于降低所需電感的尺寸，并且可以通過(guò) PCB 走線(xiàn)實(shí)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(kāi)關(guān)頻率較低，需要較大的電容器來(lái)抑制紋波。帶有高頻開(kāi)關(guān)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(lián)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(yōu)點(diǎn)是可以更好地控制調壓電路，控制器可以在數字領(lǐng)域實(shí)現，因此可以在技術(shù)變化時(shí)重復使用。

最后，穩壓器是放置在片上還是片外，還是根據實(shí)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(shí)，片外穩壓器是更好的選擇?；谶@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(wù)器處理器就是使用片上的穩壓器來(lái)幫助改善電源管理的一個(gè)例子。以上是片上穩壓器和片內穩壓器的相關(guān)分析，以及它們在芯片中的作用。