將源端和負載端分離

根據(jù)電源解決方案或與功耗、能源效率或整體能源或碳足跡相關(guān)的分析來對任何系統(tǒng)（或系統(tǒng)集合）進行分析時，將源與負載分開出來能幫助整個過程。在最簡單的形式中，也就是將電源或解決方案與消耗它們所提供的電力終端負載分開?？梢园?strong>SOURCES 源端和 LOADS負載端視為彼此會互相「對話」的獨立黑盒。下面為系統(tǒng)細分框圖，這個圖以不同的顏色區(qū)分計算或類服務(wù)器的架構(gòu)，以顯示系統(tǒng)中典型源端和負載端之間的差異。

圖 1 – 將源端與負載端分開的系統(tǒng)框圖

若想要了解一個復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)如何進步時，這種將源端與負載端分開的區(qū)別尤其重要，因為這個系統(tǒng)包含大量的組件，均受無數(shù)工程、制造、供應(yīng)鏈和全球經(jīng)濟的影響。呈指數(shù)成長的進步趨勢（無論是晶體管數(shù)量、尺寸大小、功率密度或能效等指標）往往與負載端的關(guān)聯(lián)遠大于源端，而這并非偶然。源端組件傾向以磁性組件、功率晶體管和儲能組件為主。如低壓半導(dǎo)體那樣，這些組件的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù) (FOM) 通常不是每年而是每十年翻一倍。

摩爾定律跟電源解決方案有何關(guān)系？

如要了解電子和電氣設(shè)備路線圖的發(fā)展速度通常會圍繞在摩爾定律，這更像是晶體管微縮的經(jīng)濟趨勢而非任何類型的技術(shù)微縮規(guī)則（參見登納德縮放比例定律) 或是傳統(tǒng)意義上的物理定律。因此，即使沒有在技術(shù)上進行追蹤，會覺得電子行業(yè)似乎有一個普遍的認知，就是一切事物都以某種方式堅持每18-24 個月將性能翻倍（例如所有組件、供應(yīng)鏈和工程突破）。當(dāng)然，光是「性能」的定義都可能成為爭議，因此為了本次討論的目的我們將這個議題暫放一邊。

除了摩爾定律對集成電路 (IC)的晶體管尺寸或數(shù)量有所影響之外，還有另一個趨勢推動著主要系統(tǒng)功率預(yù)算的降低。摩爾定律使邏輯以指數(shù)速度縮小，微機電系統(tǒng) (MEMS) 將傳感器縮小并集成到肉眼幾乎看不見的程度。但應(yīng)該要清楚區(qū)分兩者，雖然摩爾定律傾向于將負載功率大幅增加（即每個晶體管的功率下降，但封裝更多晶體管因此在相同的占地面積的功率密度或耗散功率會不斷上升）。然而 MEMS 往往會導(dǎo)致負載功率大幅下降，因為即使單個傳感器功率呈指數(shù)下降，應(yīng)用也不需要傳感器數(shù)量指數(shù)增長。另一方面，MEMS 正在推動集成多個傳感器（有時還包括處理或通信共同封裝），而這將在下一節(jié)更詳細地討論。

隨著晶體管尺寸縮小，閾值電壓也隨之降低，實際上這代表 IC 可以在偏置電壓軌不斷降低下運行。這就是為什么微處理器從需要 ~2.5/3.3V 電源軌到 ~1.2/1.5V，而現(xiàn)在甚至到 <<1.0V 的原因。如前面所述，封裝更多低壓晶體管的情況下功率密度仍持續(xù)升高，因此導(dǎo)致了一個不斷要為這些密集負載提高輸入電流的趨勢。密集的負載還增加了對更快電壓 (~100V/ns) 和電流 (~1,000A/μs) 轉(zhuǎn)換的瞬態(tài)需求，從而給電源帶來了更大的壓力。

電源解決方案如何跟上摩爾定律的步伐？

正如許多有關(guān)電源解決方案設(shè)計和優(yōu)化的文獻所強調(diào)的，系統(tǒng)最常見的 FOM 是尺寸、重量和功率（也稱為 SWaP）。與成本指標結(jié)合時也可稱為 SWaP-C。明顯地顯示出減少負載是如何推動常規(guī) SWaP 持續(xù)進步，但在源端則不然。

以更務(wù)實的角度來看，討論重點似乎應(yīng)該著重在系統(tǒng)組件（尤其是本博客上下文中的電源解決方案）是如何讓系統(tǒng)利用類摩爾定律在計算晶體管密度和MEMS 器件集成度上的進步所帶來的優(yōu)勢。電源解決方案不需要跟著低壓晶體管一起縮小，甚至不需要為了使系統(tǒng)能使用升級增強后的負載而采用1:1 的比例滿足它們的功率密度。

上述增加的瞬態(tài)會自然地將電源推向高瞬態(tài)負載。這不僅是為了藉由減輕熱耗散 (P=I2R) 和電壓降 (V=IR) 來優(yōu)化效率使更高的電流變得更具挑戰(zhàn)性，而且還可以防止即使是很小的寄生等效串聯(lián)電感導(dǎo)致的災(zāi)難性電壓過沖 ( ESL，幾nH到幾十nH不等的寄生電感)，而這在前幾代的系統(tǒng)中是可忽略不計的。這凸顯了設(shè)計電源解決方案時遇到的主要挑戰(zhàn)，也就是這些方法需要用更快的電源開關(guān)，尤其是寬帶隙 (WBG) 化學(xué)物質(zhì)如氮化鎵 (GaN)、碳化硅 (SiC)、砷化鎵 (GaAs) 或氮化鋁 (AlN) 來跟上摩爾定律和 MEMS 的步伐。下圖凸顯出僅僅是來自于組件封裝的極小 ESL會如何對您的設(shè)計產(chǎn)生災(zāi)難性的影響，這甚至還沒有到要把大量時間和精力投入到盡可能設(shè)計出一個能夠良好處理這些電流的既干凈又緊湊的布局。要注意的是主要的瓶頸是在高頻磁性材料上缺少研發(fā)投入，無法將 WBG 功率開關(guān)的超快速度潛力完全地釋放出來。

圖 2– 根據(jù)常見器件封裝和特性計算出寄生電感引起的電壓過沖

集成技術(shù)和先進封裝技術(shù)得以讓電源解決方案與不斷縮小的負載保持同步。摩爾定律允許將電源管理和控制功能集成到整合度更高的電源管理 IC (PMIC) 中，從而直接促進電源轉(zhuǎn)換，而 PMIC 可以集成電源轉(zhuǎn)換（甚至集成電源開關(guān)）、控制邏輯、電源調(diào)節(jié)、數(shù)字控制或遙測報告、以及外部能量存儲和反饋管理。這種電源子系統(tǒng)的集成將分立式解決方案引進 IC 領(lǐng)域，顯著減少占用電路板空間，同時強化控制并優(yōu)化能量換向的整體效率。

MEMS 傳感器與其他微型組件（如微控制器、無線電和天線）的異構(gòu)集成直接降低了這些負載的功耗以及減輕了獨立支持每個負載的系統(tǒng)開銷所帶來的節(jié)省。以如此小的功率支持如此多的系統(tǒng)組件，這本身就為特定的電源解決方案增加了價值主張，因為現(xiàn)在相同的功率得以支持更多的負載，而由于能夠以更小尺寸的電源提供更多的功率輸出，因此SWap 得到進一步的改進（甚至支持更寬的輸入電壓范圍）。

本文討論的所有內(nèi)容都集合在3D電源封裝 (3DPP)。雖然改進磁性材料性能的步伐較慢，但隨著從繞線（通常涉及到人員的繞線技術(shù)）轉(zhuǎn)到平面磁體，藉由精細控制的特性來布置繞組并集成到帶有嵌入式磁芯材料的印刷電路組件 (PCA)，電源解決方案的主要磁性組件的整體性能和尺寸都因此得到了顯著改善。這使得即使是高度復(fù)雜的磁性結(jié)構(gòu)也能夠以嚴格的制程控制（例如提高可靠性），同時利用制造規(guī)模經(jīng)濟來滿足 SWaP-C 列表中幾乎所有的目標項目。下圖是一個負載點 (PoL) 轉(zhuǎn)換器的剖視圖示例，該轉(zhuǎn)換器將控制/開關(guān) IC 芯片、功率磁體和模塊封裝集成到一個緊湊的解決方案之中，該解決方案針對空間和熱管理進行了優(yōu)化因此更容易散熱。

圖 3 – RECOM RPX 系列負載點 (PoL) 轉(zhuǎn)換器的 3DPP 概念

發(fā)揮創(chuàng)意并保持步伐

鑒于上述負載端（系統(tǒng)）功率預(yù)算的減少趨勢比源端（電源解決方案）提升可用性來得更快的觀點，全神貫注在降低系統(tǒng)功率預(yù)算上而不是將大部分工程周期用來建置更大的電源，才能比較容易跟上摩爾定律的步伐。這就是智能電源管理 (IPM) 技術(shù)的大放異彩之處。IPM 是「硬件和軟件的組合，可優(yōu)化計算機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心的電力分配和使用」。這更像是一種設(shè)計思維，例如將電源子系統(tǒng)架構(gòu)從「始終在線」轉(zhuǎn)變?yōu)椤甘冀K可用」的思維方式可以為最終解決方案的結(jié)果帶來典范轉(zhuǎn)移。

儲能組件始終需要和使用更高的能量密度和更好的循環(huán)壽命品質(zhì)因數(shù)。就如磁學(xué)路線圖一樣，安全且務(wù)實的能量存儲的進化與摩爾定律的步伐相差一個量級。即使是這種情況，這并不意味著阻礙了電源跟上系統(tǒng)改進的腳步（主要是 SWaP-C）。最能看到這一點的地方是根據(jù)最壞的情況（需求、瞬態(tài)、溫度、制造公差、安全裕度等）調(diào)整電源解決方案，在滿足系統(tǒng)或應(yīng)用的需求和避免過度設(shè)計之間尋找平衡之際，提供了非常廣泛的主觀性范圍。這一點也強調(diào)了在設(shè)計和實施各自的電源解決方案之前要仔細描繪負載特性的重要性和理由。例如，系統(tǒng)可能不經(jīng)常出現(xiàn)高功率消耗峰值，其中大部分的時間都處在明顯較低的穩(wěn)態(tài)功率水平。將系統(tǒng)所有的電源、上游配電或電源保持等設(shè)計來為那些局部儲能就可以應(yīng)付的鮮見的峰值是非常浪費的（就資本和運營支出而言，亦即CAPEX/OPEX）， 因此要為系統(tǒng)的其余部分針對低穩(wěn)態(tài)進行優(yōu)化。這就是調(diào)峰的概念，它可以應(yīng)用于任何系統(tǒng)，從微功率到大功率皆適用。

另一種智能電源管理是采用負載整合、負載分配以及減載技術(shù)。對比在效率曲線的上游運行的電源解決方案，沒有什么比關(guān)閉的東西使用更少的功率，也沒有什么比負載峰值點運行的負載更有效地利用有功功率。因此無論是不使用時關(guān)閉子系統(tǒng)的電源（即處于睡眠狀態(tài)的無線電、IC 的暗硅），還是將需要獨立電源的較小負載整合起來，這都能有效地實現(xiàn)更密集、更高效的電源解決方案。智能化功率分配的一個例子是了解外部電源需求的真實情況，例如使用通用串行總線 (USB) 或以太網(wǎng)供電 (PoE) 端口，這些端口或許能夠以聚合峰值的形式提供更多電源但不會全部同時運行，因此上游電源不應(yīng)該被設(shè)計用來提供聚合峰值。

此外，所有系統(tǒng)負載都同時以最大值運行的情況并不常見，因此簡單地將所有負載的最大值（例如數(shù)據(jù)表最壞情況最大值）相加以建立系統(tǒng)功率預(yù)算，這在幾乎所有的實例中都是非常不切實際的。如果可以的話，將復(fù)雜系統(tǒng)的負載分開并加以分組可以優(yōu)化其特定的電源子系統(tǒng)，因此有助于優(yōu)化 SWaP-C。這使設(shè)計工程師能夠在兩者之間各取其長（摩爾定律/MEMS 和非摩爾定律/MEMS 的直接影響）。

結(jié)論

沒有人會大膽聲明電源解決方案的各個方面都將與摩爾定律和 MEMS（很快地將被稱為納米機電系統(tǒng)或 NEMS）設(shè)備的發(fā)展持續(xù)保持同步，這是在自欺欺人。正如過去幾年在行業(yè)中普遍描述的那樣，摩爾定律本身似乎很難在可預(yù)見的未來繼續(xù)下去（以其現(xiàn)有的或類似的形式）。雖然這可能會在源端可用功率和負載端功率需求之間造成差距，但這種差距不會繼續(xù)呈指數(shù)增長并造成不斷擴大的鴻溝而使電源子系統(tǒng)成為一個必須縮減系統(tǒng)功能的理由。

如前所述，電源解決方案的設(shè)計人員和系統(tǒng)工程師使用多項創(chuàng)新技術(shù)以跟上腳步，持續(xù)運用摩爾定律和 MEMS 定期發(fā)展出來的新技術(shù)。IPM 技術(shù)是其中的核心，因為我們能更好地利用每瓦特而不是傳統(tǒng)意義上的去匹配源與負載（例如最壞情況下的峰值）。在幫助達到預(yù)期的系統(tǒng)性能的錦囊中，儲能系統(tǒng)也是一種被高度低估和未充分利用的法寶，既可靠又能繼續(xù)走在減小系統(tǒng)尺寸和增加功率密度的道路上。

歸根結(jié)底，對于管理源和負載之間差距來說3DPP 和其他先進的封裝技術(shù)確實是領(lǐng)頭羊，因為與單純的磁性組件或儲能設(shè)備中看到的相比，它們更能夠?qū)﹃P(guān)鍵的質(zhì)量因素進行顯著的改善。

審核編輯：劉清