片上稳压器和片内稳压器的作用

片上稳压器和片内稳压器的作用

什么是片上稳压器和片内稳压器？它们的作用是什么？随着我们对移动计算和手持设备需求的不断增长，系统设计从分离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和处理能力，以满足不断增长的数据处理需求。其中一个趋势是开发环保、使用寿命长的电池。这需要更复杂的电源管理方案，其中稳压器起着关键作用，因此如何放置稳压器对提高性能至关重要。

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， IO 通常为 1.8V。开关稳压器的输出电压取决于栅极驱动器的比例。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。

由于以下优点，将稳压器放在裸片上：

?更精细、更快的电源管理：片上稳压器可以更好地控制和关闭未使用的电路，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为微秒(μs)等级，片上器是纳秒(ns)等级。这有助于提供更严格的功耗控制，延长电池的使用寿命，降低服务器的散热成本。

?降低 I2R 功耗:服务器处理器满负荷时的典型功率 65W。若电压为 1V， 65需要传输A 电流，如此大的电流需要较宽的布线，以确保低 I2R 损失。如果是 2V 在电压下提供相同的功率，电流减少到一半(32.5A)，在 I2R 损耗相同时，线宽变小。I2R 减少损失也可以减少板的尺寸。

?节省 PCB 面积：PCB 的可用面积非常宝贵，可以减少 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。

既然片上的稳压器有这些优点，为什么有些设计仍然倾向于片外的稳压器呢？为了回答这个问题，我们首先讨论了稳压器的构造模块以及使用片上或片外稳压器的优缺点。

?电源传输电路(Power Train)：电源传输电路为稳压器提供了两条传导路径，一条是从 VIN 到滤波器，另一个是从滤波器到地面。在所有稳压器中，VIN 过滤器的路径是 PFET 或 NFET 开关。另一方面，从滤波器到地面的路径要么是二极管，要么是 NFET。 用于这两条路径FET 能获得更好的电压调节性能。第一个权衡是 FET 额定电压。FET 有几种类型的 可以支持4000以上V 电压。相比之下，片上 FET 使用典型的 CMOS 工艺较多可支持 3.3V 电压，对于处理器，较多只能支持 2V 电压。

?另一个权衡是电源传输电路的功耗。FET 有额外的散热空间，但片上 FET 不，这增加了裸片的整体温度，需要额外的散热管理设计。裸片上的电源传输电路可以提供数百兆赫的开关频率，从而减小滤波器的尺寸。此外，裸片上的电源传输电路也会使电源引脚的数量翻倍，因为电源传输电路的输出需要额外的引脚连接到滤波器。

?电感：电感与电容器形成低通滤波器，以抑制输出端的纹波电压。稳压器通常需要更大的电感，所以电感不能放在裸片上。现成的 ** D 电感。片上的稳压器具有相同的效率，因为它允许更高的开关频率，有利于降低所需电感的尺寸，并且可以通过 PCB 走线实现。这可以减少 PCB 上部组件的数量，但成本是增加直流电阻，从而增加损耗。

?电容器：电容器用于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。带有高频开关的片上稳压器可以使板上的电容器变小，甚至可以去除电容器。然而，这仍然占据了相当大的裸片面积，与片外电容器相比ESR(等效串联电阻)通常更高。

?控制器:电压调节电路控制器对稳压器的放置影响不大。对于片外稳压器，控制器使用单独的芯片；对于片上的稳压器，控制器是裸片上控制电路的一部分。片上控制器的优点是可以更好地控制调压电路，控制器可以在数字领域实现，因此可以在技术变化时重复使用。

较后，稳压器是放置在片上还是片外，还是根据实际应用确定。当负载电流小，输入电压高，唤醒和睡眠缓慢，或电源管理粒度不太重要时，片外稳压器是更好的选择。基于这些原因，LED 灯通常由片外稳压器供电。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，则片上的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的稳压器来帮助改善电源管理的一个例子。以上是片上稳压器和片内稳压器的相关分析，以及它们在芯片中的作用。