隨著對移動計算和手持設備的需求日益增長，係統設計從分立器件轉向高度集成的係統級芯片（SoC），同(tong)時(shi)後(hou)端(duan)服(fu)務(wu)器(qi)需(xu)要(yao)更(geng)快(kuai)的(de)計(ji)算(suan)處(chu)理(li)能(neng)力(li)
，以(yi)滿(man)足(zu)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)需(xu)求(qiu)。其(qi)中(zhong)的(de)一(yi)個(ge)趨(qu)勢(shi)是(shi)開(kai)發(fa)環(huan)保(bao)且(qie)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)更(geng)長(chang)的(de)電(dian)池(chi)。這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)更(geng)複(fu)雜(za)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)方(fang)案(an)，穩(wen)壓(ya)器(qi)在(zai)其(qi)中(zhong)扮(ban)演(yan)了(le)關(guan)鍵(jian)角(jiao)色(se)

，因(yin)此(ci)如(ru)何(he)放(fang)置(zhi)穩(wen)壓(ya)器(qi)對(dui)於(yu)提(ti)高(gao)性(xing)能(neng)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

 

圖 1 是一個典型的穩壓器。“電源設備（Power Supply Unit）”是穩壓器的電源。服務器、台式機和筆記本電腦的電源通常是 12V，移動設備的電源是 3.3V。1.0V 穩壓器通常用於核心數字電路的供電，而 IO 通常為 1.8V。“柵極驅動器”的占空比決定了開關穩壓器的輸出電壓。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
，使用單獨的 LDO。

圖 1：典型的穩壓器。

 

將穩壓器置於裸片上是因為下麵的幾個好處：

 

•    更精細、更快速的電源管理：片上穩壓器可以更好地控製關閉未使用的電路從而節省功耗。對於片外穩壓器，從睡眠狀態喚醒所需的時間是微秒(μs)級
，而片上穩壓器則是納秒(ns)級。這有助於提供更嚴格的功耗控製，對掌上設備而言就是延長了電池的使用壽命，對服務器則是降低了散熱成本。

 

•    降低 I2R 功耗：一個典型的服務器處理器在滿負荷時的功率是 65W。如果電壓為 1V，就需要傳送 65A 電流，這麼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。

 

•    節省 PCB 麵積：PCB 的可用麵積非常寶貴
，減小 PCB 麵積就可以縮小外形尺寸。通過將穩壓器放置在裸片上，可以去除與之相關的元件

，從而節省 PCB 麵積並減少 BOM。

 

既然片上穩壓器有這些好處，為什麼有些設計仍然傾向於片外穩壓器呢?為了回答這個問題，我們先來討論穩壓器的構建模塊以及使用片上穩壓器或片外穩壓器的利弊權衡。

 

•    電源傳送電路（Power Train）：電源傳送電路為穩壓器提供了兩條傳導路徑，一條是從 VIN 到濾波器，另一條是從濾波器到地。在所有的穩壓器中，VIN 到濾波器的路徑都是 PFET 或 NFET 開關。另一方麵


，從濾波器到地的路徑要麼是二極管要麼是 NFET。在這兩條路徑上使用 FET 可以得到更好的電壓調節性能。第一個權衡是 FET 上的額定電壓。片外 FET 有幾種類型並且可以支持超過 400V 的電壓。相比之下，片上 FET 由於采用典型的 CMOS 工藝，最多可以支持 3.3V 電壓
，而對於處理器，最多隻能支持 2V 電壓。

 

•    另一個權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(mei)有(you)

，這(zhe)就(jiu)增(zeng)加(jia)了(le)整(zheng)個(ge)裸(luo)片(pian)溫(wen)度(du)，需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)散(san)熱(re)管(guan)理(li)設(she)計(ji)。電(dian)源(yuan)傳(chuan)送(song)電(dian)路(lu)置(zhi)於(yu)裸(luo)片(pian)上(shang)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)高(gao)達(da)幾(ji)百(bai)兆(zhao)赫(he)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)
，從(cong)而(er)減(jian)小(xiao)濾(lv)波(bo)器(qi)尺(chi)寸(cun)。另(ling)外(wai)電(dian)源(yuan)傳(chuan)送(song)電(dian)路(lu)在(zai)裸(luo)片(pian)上(shang)也(ye)會(hui)使(shi)電(dian)源(yuan)引(yin)腳(jiao)的(de)數(shu)量(liang)增(zeng)加(jia)一(yi)倍(bei)
，因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)引(yin)腳(jiao)將(jiang)電(dian)源(yuan)傳(chuan)送(song)電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)出(chu)連(lian)接(jie)到(dao)濾(lv)波(bo)器(qi)。

 

•    電感：電(dian)感(gan)與(yu)電(dian)容(rong)一(yi)起(qi)形(xing)成(cheng)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)
，用(yong)來(lai)抑(yi)製(zhi)輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)。穩(wen)壓(ya)器(qi)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)感(gan)通(tong)常(chang)較(jiao)大(da)
，因(yin)此(ci)電(dian)感(gan)不(bu)能(neng)置(zhi)於(yu)裸(luo)片(pian)上(shang)。片(pian)外(wai)穩(wen)壓(ya)器(qi)使(shi)用(yong)現(xian)成(cheng)的(de) SMD 電感。片上穩壓器因為允許更高的開關頻率，有利於減小所需電感的尺寸而達到同樣的效率，並可通過 PCB 走線來實現。這樣做能減少 PCB 上的元器件數量
，但代價是增加了直流電阻
，從而增加損耗。

 

•    電容器：電dian容rong器qi用yong來lai減jian少shao穩wen壓ya器qi輸shu出chu端duan的de紋wen波bo。對dui於yu片pian外wai穩wen壓ya器qi
，由you於yu開kai關guan頻pin率lv較jiao低di，需xu要yao較jiao大da的de電dian容rong器qi來lai抑yi製zhi紋wen波bo。采cai用yong帶dai高gao頻pin開kai關guan的de片pian上shang穩wen壓ya器qi，可ke以yi使shi板ban上shang電dian容rong器qi變bian小xiao，甚shen至zhi可ke以yi除chu去qu電dian容rong器qi。然ran而er，這zhe在zai裸luo片pian上shang還hai是shi占zhan據ju了le相xiang當dang大da的de麵mian積ji，並bing且qie比bi起qi片pian外wai電dian容rong器qi，其qi ESR（等效串聯電阻）通常更高。

 

•    控製器：電壓調節回路控製器對穩壓器的放置幾乎沒什麼影響。對於片外穩壓器，控製器使用一個單獨的芯片
；erduiyupianshangwenyaqi
，kongzhiqishiluopianshangkongzhihuiludeyibufen。pianshangkongzhiqideyoudianshikeyigenghaodikongzhitiaoyahuilu，erqiekongzhiqikezaishuzilingyuneishixian，yinerzaijishubianhuashikezhongfushiyong。

 

最(zui)後(hou)，穩(wen)壓(ya)器(qi)是(shi)放(fang)置(zhi)在(zai)片(pian)上(shang)還(hai)是(shi)片(pian)外(wai)，還(hai)是(shi)要(yao)根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)來(lai)決(jue)定(ding)。當(dang)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)小(xiao)，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)高(gao)，容(rong)許(xu)較(jiao)慢(man)的(de)喚(huan)醒(xing)和(he)睡(shui)眠(mian)，或(huo)者(zhe)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)粒(li)度(du)不(bu)是(shi)很(hen)重(zhong)要(yao)時(shi)
，片(pian)外(wai)穩(wen)壓(ya)器(qi)是(shi)比(bi)較(jiao)好(hao)的(de)選(xuan)擇(ze)。基(ji)於(yu)這(zhe)些(xie)原(yuan)因(yin)
，LED 燈(deng)通(tong)常(chang)用(yong)片(pian)外(wai)穩(wen)壓(ya)器(qi)供(gong)電(dian)。相(xiang)反(fan)，如(ru)果(guo)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)大(da)，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)低(di)，有(you)效(xiao)操(cao)作(zuo)需(xu)要(yao)快(kuai)速(su)喚(huan)醒(xing)或(huo)更(geng)細(xi)的(de)粒(li)度(du)，則(ze)片(pian)上(shang)穩(wen)壓(ya)器(qi)是(shi)更(geng)好(hao)的(de)選(xuan)擇(ze)。典(dian)型(xing)的(de)桌(zhuo)麵(mian) / 服務器處理器就是使用片上穩壓器幫助改善電源管理的一個例子。