【導讀】正如許多有關(guān)電源解決方案設計和優(yōu)化的資源所強調的那樣，系統常見(jiàn)的 FOM 是其尺寸、重量和功率（也稱(chēng)為 SWaP 系數）特性。當與成本指標結合時(shí)，這也可以稱(chēng)為 SWaP-C 因素 [5]。很明顯，負載的減少如何推動(dòng)定期 SWaP 的改進(jìn)，但在源方面則不然。
當根據電源解決方案和/或與功耗、能源效率或總體能源/碳足跡相關(guān)的其他分析來(lái)評估任何系統（或系統集合）時(shí)，它有助于將電源與負載分開(kāi)。
分離電源和負載
簡(jiǎn)單的形式是將電源/解決方案與消耗這些電源提供的電力的終端負載分開(kāi)。將源和負載視為相互“對話(huà)”的獨立黑匣子。圖 1 以框圖形式顯示了系統的任意分解，在本例中，突出顯示了計算或類(lèi)似服務(wù)器的架構，以顯示系統中典型源和典型負載之間的差異。
圖 1. 將源與負載分開(kāi)的系統框圖
當試圖了解復雜系統中的技術(shù)進(jìn)步時(shí)，這種將源與負載分離的區別尤其重要，該復雜系統包含眾多組件（也許每個(gè)復雜系統都有其自身的權利），并受到無(wú)數工程、制造、供應鏈、和經(jīng)濟變量。指數改進(jìn)的趨勢（無(wú)論是表征晶體管數量、特征尺寸、功率密度、能源效率等的指標）往往與負載側的相關(guān)性遠大于與源側的相關(guān)性，這并非巧合。源側組件往往以磁性元件、功率晶體管和能量存儲為主。與低壓半導體一樣，這類(lèi)元件每十年的關(guān)鍵品質(zhì)因數 (FOM) 往往會(huì )比每年翻一番。
摩爾定律與電源解決方案有什么關(guān)系？
對電子和電氣設備路線(xiàn)圖發(fā)展速度的考慮通常會(huì )圍繞摩爾定律[2]，這更多的是晶體管縮放的經(jīng)濟趨勢，而不是任何類(lèi)型的技術(shù)縮放規則（參見(jiàn)登納德縮放[3]） ）或傳統意義上的物理定律。因此，即使沒(méi)有在技術(shù)上跟蹤任何這些東西，電子行業(yè)似乎也普遍認為一切（例如，所有組件、供應鏈和工程工作）都以某種方式遵循每 18-24 個(gè)月性能翻倍的速度。當然，即使是“性能”的語(yǔ)義定義也可能成為很多爭論的目標，因此為了本次討論的目的，它將被擱置一邊。
除了摩爾定律對集成電路(IC) 中晶體管尺寸/數量的影響之外，還有另一個(gè)趨勢正在推動(dòng)主要系統功耗預算的減少。摩爾定律邏輯器件以指數速度縮小，微機電系統（MEMS [4]）縮小并集成傳感器到肉眼幾乎看不見(jiàn)的程度。不過(guò)，應該清楚地區分，摩爾定律往往會(huì )導致負載功率大幅增加（即，每個(gè)晶體管的功率會(huì )下降，但封裝更多晶體管會(huì )使給定占位面積內的功率密度或耗散功率不斷下降）向上），其中 MEMS 往往會(huì )導致負載功率大幅下降，因為即使單個(gè)傳感器功率呈指數下降，應用也往往不需要傳感器數量呈指數增長(cháng)。另一方面，
隨著(zhù)晶體管特征尺寸的減小，閾值電壓也隨之降低，這實(shí)際上意味著(zhù) IC 可以在不斷降低的偏置電壓軌下運行。這就是為什么微處理器從需要 ~2.5/3.3 V 電源軌變?yōu)?~1.2/1.5 V 電源軌，現在甚至需要 <<1.0 V 電源軌。如前所述，通過(guò)封裝更多的低壓晶體管，功率密度仍然會(huì )增加，這轉化為驅動(dòng)這些密集負載所需的輸入電流的持續趨勢。密集負載還增加了對更快電壓（約 100 V/ns）和電流（約 1,000 A/μs）轉換的瞬態(tài)需求，從而給電源帶來(lái)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)電源解決方案設計和優(yōu)化的資源所強調的那樣，系統常見(jiàn)的 FOM 是其尺寸、重量和功率（也稱(chēng)為 SWaP 系數）特性。當與成本指標結合時(shí)，這也可以稱(chēng)為 SWaP-C 因素 [5]。很明顯，負載的減少如何推動(dòng)定期 SWaP 的改進(jìn)，但在源方面則不然。
從更務(wù)實(shí)的意義上來(lái)說(shuō)，對話(huà)似乎應該圍繞系統組件（特別是本博客中的電源解決方案）如何使系統能夠利用計算晶體管中類(lèi)似摩爾定律的代際改進(jìn)所帶來(lái)的進(jìn)步MEMS 器件的密度和集成度。電源解決方案不需要隨著(zhù)低壓晶體管而縮小，甚至不需要滿(mǎn)足 1:1 比例的功率密度，以使系統能夠利用負載的不斷增強。
上述增加的瞬態(tài)將自然地推動(dòng)需要使電源更接近高瞬態(tài)負載。這不僅是為了通過(guò)減輕熱耗散 (P=I2R) 和壓降 (V=IR) 來(lái)實(shí)現效率優(yōu)化，而較高的電流會(huì )使這些問(wèn)題變得更加困難，而且還可以防止因寄生等效串聯(lián)電感而導致的災難性電壓過(guò)沖（ ESL，1s – 10s of nH）以前在老一代系統中被認為可以忽略不計。這突顯了電源解決方案面臨的一項重大設計挑戰，即通過(guò)利用更快的電源開(kāi)關(guān)，特別是使用氮化鎵(GaN)、碳化硅等寬帶隙(WBG) 化學(xué)物質(zhì)來(lái)跟上摩爾定律和 MEMS 的步伐（SiC）、砷化鎵（GaAs）或氮化鋁（AlN）[6]。圖 2 強調了僅來(lái)自組件封裝的如此小的 ESL 如何對您的設計產(chǎn)生災難性影響。這甚至是在人們花費大量時(shí)間和精力建立一個(gè)非常干凈、緊湊的布局（盡可能地包含這些電流）之前的情況。應該指出的是，目前高頻磁性材料發(fā)展方面缺乏研究和開(kāi)發(fā)，是充分發(fā)揮 WBG 功率開(kāi)關(guān)超快開(kāi)關(guān)速度潛力的終瓶頸。
ΔV過(guò)沖=L寄生×di/dt
圖 2. 通過(guò)常見(jiàn)器件封裝和特性計算寄生電感引起的電壓過(guò)沖。
集成和先進(jìn)的封裝技術(shù)是電源解決方案與不斷縮小的負載同行保持同步的驅動(dòng)力。摩爾定律允許將電源管理和控制功能集成到更整合的電源管理 IC (PMIC) 中，從而直接促進(jìn)電源轉換，PMIC 可以集成電源轉換（甚至集成電源開(kāi)關(guān)）、控制邏輯、電源調節、數字控制和/或遙測以及外部能量存儲和反饋的管理。這種電源子系統的集成將分立解決方案帶入 IC 領(lǐng)域，從而顯著(zhù)減少電路板占用空間，同時(shí)增強控制并優(yōu)化能量換向的整體效率。
MEMS 傳感器與微控制器、無(wú)線(xiàn)電設備和天線(xiàn)等其他小型化組件的異構集成直接降低了這些負載的功耗，并減少了獨立支持每個(gè)負載的不同系統開(kāi)銷(xiāo)。它們以如此小的功率支持如此多的系統組件的行為本身就增加了給定電源解決方案的價(jià)值主張，因為相同的功率現在可以支持更多的負載，但 SWaP 甚至通過(guò)使物理上更小的電源能夠同時(shí)提供更大的功率輸出（即使支持更寬的輸入電壓范圍）。
三維電源封裝 (3DPP) 是本博客中討論的所有內容的融合點(diǎn) [8]。即使改進(jìn)磁性材料性能的步伐較慢，隨著(zhù)從繞線(xiàn)（通常涉及手動(dòng)繞線(xiàn)技術(shù)）到使用精細控制的功能可布局繞組并集成到帶有嵌入式磁芯材料的印刷電路組件 (PCA) 中。這使得高度復雜的磁性結構能夠以允許嚴格的過(guò)程控制（例如，提高可靠性）的方式集成，同時(shí)利用制造規模經(jīng)濟來(lái)檢查 SWaP-C 目標清單中的幾乎每個(gè)框。
圖 3. RECOM 的 RPX 系列負載點(diǎn) (PoL) 轉換器中的 3DPP 概念。
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