帮助电源解决方案遵循摩尔定律

当根据电源解决方案和/或与功耗、能源效率或总体能源/碳足迹相关的其他分析来评估任何系统（或系统集合）时，它有助于将电源与负载分开。

分离电源和负载

简单的形式是将电源/解决方案与消耗这些电源提供的电力的终端负载分开。将源和负载视为相互“对话”的独立黑匣子。图 1 以框图形式显示了系统的任意分解，在本例中，突出显示了计算或类似服务器的架构，以显示系统中典型源和典型负载之间的差异。

图 1. 将源与负载分开的系统框图

当试图了解复杂系统中的技术进步时，这种将源与负载分离的区别尤其重要，该复杂系统包含众多组件（也许每个复杂系统都有其自身的权利），并受到无数工程、制造、供应链、和经济变量。指数改进的趋势（无论是表征晶体管数量、特征尺寸、功率密度、能源效率等的指标）往往与负载侧的相关性远大于与源侧的相关性，这并非巧合。源侧组件往往以磁性元件、功率晶体管和能量存储为主。与低压半导体一样，这类元件每十年的关键品质因数 (FOM) 往往会比每年翻一番。

摩尔定律与电源解决方案有什么关系？

对电子和电气设备路线图发展速度的考虑通常会围绕摩尔定律[2]，这更多的是晶体管缩放的经济趋势，而不是任何类型的技术缩放规则（参见登纳德缩放[3]） ）或传统意义上的物理定律。因此，即使没有在技术上跟踪任何这些东西，电子行业似乎也普遍认为一切（例如，所有组件、供应链和工程工作）都以某种方式遵循每 18-24 个月性能翻倍的速度。当然，即使是“性能”的语义定义也可能成为很多争论的目标，因此为了本次讨论的目的，它将被搁置一边。

除了摩尔定律对集成电路(IC) 中晶体管尺寸/数量的影响之外，还有另一个趋势正在推动主要系统功耗预算的减少。摩尔定律逻辑器件以指数速度缩小，微机电系统（MEMS [4]）缩小并集成传感器到肉眼几乎看不见的程度。不过，应该清楚地区分，摩尔定律往往会导致负载功率大幅增加（即，每个晶体管的功率会下降，但封装更多晶体管会使给定占位面积内的功率密度或耗散功率不断下降）向上），其中 MEMS 往往会导致负载功率大幅下降，因为即使单个传感器功率呈指数下降，应用也往往不需要传感器数量呈指数增长。另一方面，

随着晶体管特征尺寸的减小，阈值电压也随之降低，这实际上意味着 IC 可以在不断降低的偏置电压轨下运行。这就是为什么微处理器从需要 ~2.5/3.3 V 电源轨变为 ~1.2/1.5 V 电源轨，现在甚至需要 <<1.0 V 电源轨。如前所述，通过封装更多的低压晶体管，功率密度仍然会增加，这转化为驱动这些密集负载所需的输入电流的持续趋势。密集负载还增加了对更快电压（约 100 V/ns）和电流（约 1,000 A/μs）转换的瞬态需求，从而给电源带来了更大的压力。

电源解决方案如何跟上摩尔定律的步伐？

正如许多有关电源解决方案设计和优化的资源所强调的那样，系统常见的 FOM 是其尺寸、重量和功率（也称为 SWaP 系数）特性。当与成本指标结合时，这也可以称为 SWaP-C 因素 [5]。很明显，负载的减少如何推动定期 SWaP 的改进，但在源方面则不然。

从更务实的意义上来说，对话似乎应该围绕系统组件（特别是本博客中的电源解决方案）如何使系统能够利用计算晶体管中类似摩尔定律的代际改进所带来的进步MEMS 器件的密度和集成度。电源解决方案不需要随着低压晶体管而缩小，甚至不需要满足 1:1 比例的功率密度，以使系统能够利用负载的不断增强。

上述增加的瞬态将自然地推动需要使电源更接近高瞬态负载。这不仅是为了通过减轻热耗散 (P=I2R) 和压降 (V=IR) 来实现效率优化，而较高的电流会使这些问题变得更加困难，而且还可以防止因寄生等效串联电感而导致的灾难性电压过冲（ ESL，1s – 10s of nH）以前在老一代系统中被认为可以忽略不计。这突显了电源解决方案面临的一项重大设计挑战，即通过利用更快的电源开关，特别是使用氮化镓(GaN)、碳化硅等宽带隙(WBG) 化学物质来跟上摩尔定律和 MEMS 的步伐（SiC）、砷化镓（GaAs）或氮化铝（AlN）[6]。图 2 强调了仅来自组件封装的如此小的 ESL 如何对您的设计产生灾难性影响。这甚至是在人们花费大量时间和精力建立一个非常干净、紧凑的布局（尽可能地包含这些电流）之前的情况。应该指出的是，目前高频磁性材料发展方面缺乏研究和开发，是充分发挥 WBG 功率开关超快开关速度潜力的终瓶颈。

ΔV过冲=L寄生×di/dt　

图 2. 通过常见器件封装和特性计算寄生电感引起的电压过冲。

集成和先进的封装技术是电源解决方案与不断缩小的负载同行保持同步的驱动力。摩尔定律允许将电源管理和控制功能集成到更整合的电源管理 IC (PMIC) 中，从而直接促进电源转换，PMIC 可以集成电源转换（甚至集成电源开关）、控制逻辑、电源调节、数字控制和/或遥测以及外部能量存储和反馈的管理。这种电源子系统的集成将分立解决方案带入 IC 领域，从而显着减少电路板占用空间，同时增强控制并优化能量换向的整体效率。

MEMS 传感器与微控制器、无线电设备和天线等其他小型化组件的异构集成直接降低了这些负载的功耗，并减少了独立支持每个负载的不同系统开销。它们以如此小的功率支持如此多的系统组件的行为本身就增加了给定电源解决方案的价值主张，因为相同的功率现在可以支持更多的负载，但 SWaP 甚至通过使物理上更小的电源能够同时提供更大的功率输出（即使支持更宽的输入电压范围）。

三维电源封装 (3DPP) 是本博客中讨论的所有内容的融合点 [8]。即使改进磁性材料性能的步伐较慢，随着从绕线（通常涉及手动绕线技术）到使用精细控制的功能可布局绕组并集成到带有嵌入式磁芯材料的印刷电路组件 (PCA) 中。这使得高度复杂的磁性结构能够以允许严格的过程控制（例如，提高可靠性）的方式集成，同时利用制造规模经济来检查 SWaP-C 目标清单中的几乎每个框。

图 3.  RECOM 的 RPX 系列负载点 (PoL) 转换器中的 3DPP 概念。