詳解使用片上穩(wěn)壓器和片內(nèi)穩(wěn)壓器的恰當(dāng)時機(jī)
發(fā)布時間:2019-12-11 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著對移動計算和手持設(shè)備的需求日益增長,系統(tǒng)設(shè)計從分立器件轉(zhuǎn)向高度集成的系統(tǒng)級芯片(SoC),同時后端服務(wù)器需要更快的計算處理能力,以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求。其中的一個趨勢是開發(fā)環(huán)保且使用壽命更長的電池。這就要求更復(fù)雜的電源管理方案,穩(wěn)壓器在其中扮演了關(guān)鍵角色,因此如何放置穩(wěn)壓器對于提高性能至關(guān)重要。
隨著對移動計算和手持設(shè)備的需求日益增長,系統(tǒng)設(shè)計從分立器件轉(zhuǎn)向高度集成的系統(tǒng)級芯片(SoC),同時后端服務(wù)器需要更快的計算處理能力,以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)處理需求。其中的一個趨勢是開發(fā)環(huán)保且使用壽命更長的電池。這就要求更復(fù)雜的電源管理方案,穩(wěn)壓器在其中扮演了關(guān)鍵角色,因此如何放置穩(wěn)壓器對于提高性能至關(guān)重要。
圖 1 是一個典型的穩(wěn)壓器。“電源設(shè)備(Power Supply Unit)”是穩(wěn)壓器的電源。服務(wù)器、臺式機(jī)和筆記本電腦的電源通常是 12V,移動設(shè)備的電源是 3.3V。1.0V 穩(wěn)壓器通常用于核心數(shù)字電路的供電,而 IO 通常為 1.8V。“柵極驅(qū)動器”的占空比決定了開關(guān)穩(wěn)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(dú)的 LDO。
圖 1:典型的穩(wěn)壓器。
將穩(wěn)壓器置于裸片上是因?yàn)橄旅娴膸讉€好處:
• 更精細(xì)、更快速的電源管理:片上穩(wěn)壓器可以更好地控制關(guān)閉未使用的電路從而節(jié)省功耗。對于片外穩(wěn)壓器,從睡眠狀態(tài)喚醒所需的時間是微秒(μs)級,而片上穩(wěn)壓器則是納秒(ns)級。這有助于提供更嚴(yán)格的功耗控制,對掌上設(shè)備而言就是延長了電池的使用壽命,對服務(wù)器則是降低了散熱成本。
• 降低 I2R 功耗:一個典型的服務(wù)器處理器在滿負(fù)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(jié)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(wěn)壓器放置在裸片上,可以去除與之相關(guān)的元件,從而節(jié)省 PCB 面積并減少 BOM。
既然片上穩(wěn)壓器有這些好處,為什么有些設(shè)計仍然傾向于片外穩(wěn)壓器呢?為了回答這個問題,我們先來討論穩(wěn)壓器的構(gòu)建模塊以及使用片上穩(wěn)壓器或片外穩(wěn)壓器的利弊權(quán)衡。
• 電源傳送電路(Power Train):電源傳送電路為穩(wěn)壓器提供了兩條傳導(dǎo)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(wěn)壓器中,VIN 到濾波器的路徑都是 PFET 或 NFET 開關(guān)。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(diào)節(jié)性能。第一個權(quán)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(quán)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(shè)計。電源傳送電路置于裸片上可以提供高達(dá)幾百兆赫的開關(guān)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(shù)量增加一倍,因?yàn)樾枰~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(wěn)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(wěn)壓器使用現(xiàn)成的 SMD 電感。片上穩(wěn)壓器因?yàn)樵试S更高的開關(guān)頻率,有利于減小所需電感的尺寸而達(dá)到同樣的效率,并可通過 PCB 走線來實(shí)現(xiàn)。這樣做能減少 PCB 上的元器件數(shù)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(wěn)壓器輸出端的紋波。對于片外穩(wěn)壓器,由于開關(guān)頻率較低,需要較大的電容器來抑制紋波。采用帶高頻開關(guān)的片上穩(wěn)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(jù)了相當(dāng)大的面積,并且比起片外電容器,其 ESR(等效串聯(lián)電阻)通常更高。
• 控制器:電壓調(diào)節(jié)回路控制器對穩(wěn)壓器的放置幾乎沒什么影響。對于片外穩(wěn)壓器,控制器使用一個單獨(dú)的芯片;而對于片上穩(wěn)壓器,控制器是裸片上控制回路的一部分。片上控制器的優(yōu)點(diǎn)是可以更好地控制調(diào)壓回路,而且控制器可在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn),因而在技術(shù)變化時可重復(fù)使用。
最后,穩(wěn)壓器是放置在片上還是片外,還是要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來決定。當(dāng)負(fù)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(wěn)壓器是比較好的選擇?;谶@些原因,LED 燈通常用片外穩(wěn)壓器供電。相反,如果負(fù)載電流大,輸入電壓低,有效操作需要快速喚醒或更細(xì)的粒度,則片上穩(wěn)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穩(wěn)壓器幫助改善電源管理的一個例子。
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