帮助电源解决方案遵循摩尔定律
时间：2024-04-22 19:07:09
当依据电源解决计划和/或与功耗、动力服从或整体动力/碳萍踪相干的其余阐发来评价任何体系（或体系调集）时，它有助于将电源与负载合并。
分手电源和负载
当试图懂得庞杂体系中的手艺前进时，这类将源与负载分手的差别特别首要，该庞杂体系包括浩繁组件（或许每一个庞杂体系都有其本身的权力），并遭到有数工程、创造、供应链、和经济变量。指数改良的趋向（无论是表征 数目、特性尺寸、功率密度、动力服从等的目标）每每与负载侧的相关性远大于与源侧的相关性，这并不是偶合。源侧组件每每以磁性元件、功率晶体管和能量存储为主。与高压半导体同样，这种元件每十年的关头质量因数 (FOM) 每每会比每一年翻一番。
摩尔定律与电源解决计划有甚么瓜葛？
对 和电气设置装备摆设路线图进展速率的思量通常会环抱摩尔定律[2]，这更多的是晶体管缩放的经济趋向，而不是任何范例的手艺缩放划定规矩（拜见登纳德缩放[3]） ）或传统意义上的物理定律。是以，纵然没有在技术上跟踪任何这些货色，电子行业好像也广泛觉得统统（比方，所有组件、供应链和工程事情）都以某种体式格局遵照每 18-24 个月功能翻倍的速率。当然，即使是“功能”的语义界说也大概成为不少争辩的目的，是以为了本次接头的目标，它将被弃捐一边。
除了摩尔定律对 (IC) 中晶体管尺寸/数目的影响以外，另有另一个趋向正在推进首要体系功耗估算的缩小。摩尔定律逻辑器件以指数速率减少，微电机体系（MEMS [4]）减少并集成传感器到肉眼简直看不见的水平。无非，应当清楚地区别，摩尔定律往往会致使负载功率大幅增添（即，每一个晶体管的功率会降低，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息降低）向上），此中 MEMS 往往会致使负载功率大幅降低，由于纵然单个传感器功率呈指数降低，使用也每每不需要传感器数目呈指数增进。另外一方面，
跟着晶体管特性尺寸的减小，阈值电压也随之下降，这实际上意味着 IC 能够在不息下降的偏置电压轨下运转。这便是为何微处理器从需求 ~2.5/3.3 V 电源轨变成 ~1.2/1.5 V 电源轨，当初以至需求 <<1.0 V 电源轨。如前所述，经由过程封装更多的高压晶体管，功率密度仍然会增添，这转化为驱动这些麋集负载所需的输出电流的继续趋向。麋集负载还增加了对更快电压（约 100 V/ns）和电流（约 1,000 A/μs）转换的瞬态需要，从而给电源带来了更大的压力。
电源解决计划若何跟上摩尔定律的措施？
正如许多无关电源解决计划设想和优化的资本所夸大的那样，体系罕见的 FOM 是其尺寸、分量和功率（也称为 SWaP 系数）特点。当与本钱目标结适时，这也能够称为 SWaP-C 要素 [5]。很明显，负载的缩小若何推进活期 SWaP 的改良，但在源方面则否则。
从更求实的意义上来讲，对话好像应当环抱体系组件（特别是本博客中的电源解决计划）若何使体系可以或许应用计较晶体管中近似摩尔定律的代际改良所带来的前进MEMS 器件的密度和集成度。电源解决计划不需要跟着高压晶体管而减少，以至不需要餍足 1:1 比例的功率密度，以使体系可以或许应用负载的不息加强。
上述增添的瞬态将自然地推进需要使电源更靠近高瞬态负载。这不仅是为了经由过程加重热耗散 (P=I2R) 和压降 (V=IR) 来完成服从优化，而较高的电流会使这些题目变得加倍艰苦，并且还可以避免因寄生等效串连电感而致使的灾难性电压过冲（ ESL，1s – 10s of nH）曩昔在老一代体系中被觉得能够疏忽不计。这突显了电源解决计划面对的一项庞大设想挑衅，即经由过程应用更快的电源 ，特别是应用氮化镓(GaN)、碳化硅等宽带隙(WBG) 化学物资来跟上摩尔定律和 MEMS 的措施（SiC）、砷化镓（GaAs）或氮化铝（AlN）[6]。图 2 强调了仅来自组件封装的云云小的 ESL 若何对您的设想发生灾难性影响。这以至是在人们破费少量时候和精神创建一个异常清洁、紧凑的结构（尽量地包括这些电流）以前的情形。应当指出的是，今朝高频磁性资料进展方面不足研讨和开辟，是充沛发扬 WBG 功率开关超快开关速率后劲的终瓶颈。
MEMS 传感器与微控制器、无线电设置装备摆设和 等其余小型化组件的异构集成间接降低了这些负载的功耗，并减少了自力支撑每一个负载的分歧体系开支。它们以云云小的功率支撑云云多的体系组件的行动自身就增加了给定电源解决计划的代价主意，由于沟通的功率当初能够支撑更多的负载，但 SWaP 以至经由过程使物理上更小的电源可以或许同时供应更大的功率输入（纵然支撑更宽的输出电压局限）。
分手电源和负载
简略的方式是将电源/解决计划与损耗这些电源供应的电力的终端负载合并。将源和负载视为互相“对话”的自力黑匣子。图 1 以框图方式表现了体系的肆意分化，在本例中，凸起表现了计较或近似服务器的架构，以表现体系中典范源和典范负载之间的差别。
当试图懂得庞杂体系中的手艺前进时，这类将源与负载分手的差别特别首要，该庞杂体系包括浩繁组件（或许每一个庞杂体系都有其本身的权力），并遭到有数工程、创造、供应链、和经济变量。指数改良的趋向（无论是表征 数目、特性尺寸、功率密度、动力服从等的目标）每每与负载侧的相关性远大于与源侧的相关性，这并不是偶合。源侧组件每每以磁性元件、功率晶体管和能量存储为主。与高压半导体同样，这种元件每十年的关头质量因数 (FOM) 每每会比每一年翻一番。
摩尔定律与电源解决计划有甚么瓜葛？
对 和电气设置装备摆设路线图进展速率的思量通常会环抱摩尔定律[2]，这更多的是晶体管缩放的经济趋向，而不是任何范例的手艺缩放划定规矩（拜见登纳德缩放[3]） ）或传统意义上的物理定律。是以，纵然没有在技术上跟踪任何这些货色，电子行业好像也广泛觉得统统（比方，所有组件、供应链和工程事情）都以某种体式格局遵照每 18-24 个月功能翻倍的速率。当然，即使是“功能”的语义界说也大概成为不少争辩的目的，是以为了本次接头的目标，它将被弃捐一边。
除了摩尔定律对 (IC) 中晶体管尺寸/数目的影响以外，另有另一个趋向正在推进首要体系功耗估算的缩小。摩尔定律逻辑器件以指数速率减少，微电机体系（MEMS [4]）减少并集成传感器到肉眼简直看不见的水平。无非，应当清楚地区别，摩尔定律往往会致使负载功率大幅增添（即，每一个晶体管的功率会降低，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息降低）向上），此中 MEMS 往往会致使负载功率大幅降低，由于纵然单个传感器功率呈指数降低，使用也每每不需要传感器数目呈指数增进。另外一方面，
跟着晶体管特性尺寸的减小，阈值电压也随之下降，这实际上意味着 IC 能够在不息下降的偏置电压轨下运转。这便是为何微处理器从需求 ~2.5/3.3 V 电源轨变成 ~1.2/1.5 V 电源轨，当初以至需求 <<1.0 V 电源轨。如前所述，经由过程封装更多的高压晶体管，功率密度仍然会增添，这转化为驱动这些麋集负载所需的输出电流的继续趋向。麋集负载还增加了对更快电压（约 100 V/ns）和电流（约 1,000 A/μs）转换的瞬态需要，从而给电源带来了更大的压力。
电源解决计划若何跟上摩尔定律的措施？
正如许多无关电源解决计划设想和优化的资本所夸大的那样，体系罕见的 FOM 是其尺寸、分量和功率（也称为 SWaP 系数）特点。当与本钱目标结适时，这也能够称为 SWaP-C 要素 [5]。很明显，负载的缩小若何推进活期 SWaP 的改良，但在源方面则否则。
从更求实的意义上来讲，对话好像应当环抱体系组件（特别是本博客中的电源解决计划）若何使体系可以或许应用计较晶体管中近似摩尔定律的代际改良所带来的前进MEMS 器件的密度和集成度。电源解决计划不需要跟着高压晶体管而减少，以至不需要餍足 1:1 比例的功率密度，以使体系可以或许应用负载的不息加强。
上述增添的瞬态将自然地推进需要使电源更靠近高瞬态负载。这不仅是为了经由过程加重热耗散 (P=I2R) 和压降 (V=IR) 来完成服从优化，而较高的电流会使这些题目变得加倍艰苦，并且还可以避免因寄生等效串连电感而致使的灾难性电压过冲（ ESL，1s – 10s of nH）曩昔在老一代体系中被觉得能够疏忽不计。这突显了电源解决计划面对的一项庞大设想挑衅，即经由过程应用更快的电源 ，特别是应用氮化镓(GaN)、碳化硅等宽带隙(WBG) 化学物资来跟上摩尔定律和 MEMS 的措施（SiC）、砷化镓（GaAs）或氮化铝（AlN）[6]。图 2 强调了仅来自组件封装的云云小的 ESL 若何对您的设想发生灾难性影响。这以至是在人们破费少量时候和精神创建一个异常清洁、紧凑的结构（尽量地包括这些电流）以前的情形。应当指出的是，今朝高频磁性资料进展方面不足研讨和开辟，是充沛发扬 WBG 功率开关超快开关速率后劲的终瓶颈。
ΔV过冲=L寄生×di/dt
图 2. 经由过程罕见器件封装和特点计较寄生电感惹起的电压过冲。
集成和进步前辈的封装手艺是电源解决计划与不息减少的负载偕行坚持同步的驱动力。摩尔定律同意将电源治理和操纵性能集成到更整合的电源治理 IC (PMIC) 中，从而间接促成电源转换，PMIC 能够集成电源转换（以至集成电源开关）、操纵逻辑、电源调理、数字操纵和/或遥测以及内部能量存储和反馈的治理。这类电源子系统的集成将分立解决计划带入 IC 畛域，从而光鲜明显缩小电路板占用空间，同时加强操纵并优化能量换向的团体服从。MEMS 传感器与微控制器、无线电设置装备摆设和 等其余小型化组件的异构集成间接降低了这些负载的功耗，并减少了自力支撑每一个负载的分歧体系开支。它们以云云小的功率支撑云云多的体系组件的行动自身就增加了给定电源解决计划的代价主意，由于沟通的功率当初能够支撑更多的负载，但 SWaP 以至经由过程使物理上更小的电源可以或许同时供应更大的功率输入（纵然支撑更宽的输出电压局限）。
三维电源封装 (3DPP) 是本博客中接头的所有内容的融会点 [8]。纵然改良磁性资料功能的措施较慢，跟着从绕线（平日触及手动绕线手艺）到应用精致操纵的性能可结构绕组并集成到带有嵌入式磁芯资料的印刷电路组件 (PCA) 中。这使得高度庞杂的磁性布局可以或许以同意严峻的进程操纵（比方，进步可靠性）的体式格局集成，同时应用创造范围经济来查抄 SWaP-C 目的清单中的简直每一个框。
