摩尔定律，或者更准确地说是戈登·摩尔(Gordon Moore)的预测，指的是复杂 IC 上的晶体管数量大约每年翻一倍。戈登于 1965 年在一本流行杂志上发表了这一声明，当时他只预测了十年。当时一个 IC 大约容纳 50 个组件，因此到 1975 年，一个 6 x 6 毫米的裸片上可能有 65,000 个组件。
他的预测很接近事实，英特尔 8086 于 1976 年发布，具有 29,000 个晶体管，使用 3.2µm 的制程工艺。摩尔随后将他的估计修改为每两年翻一倍。虽然现今复杂性的增长速度已经放缓，但台积电现在的目标是 2025 年达到 2nm [1]，裸片的特征尺寸惊人地减少了 1600 倍。
截至 2022 年，晶体管数量最多的商用微处理器为 1140 亿，采用 Apple ARM 架构的双芯片 M1 Ultra 系统，使用 5nm 工艺制造。这种「片上系统」由两个芯片组成，每个芯片的面积为 420 平方毫米。3D 晶体管和「裸片堆叠」等工艺创新使每平方毫米占地面积的处理能力指标保持在类似的指数轨迹上。
图 1：摩尔定律体现在一系列处理器的里程碑上，包含推出的年份和晶体管数量
Source vs. Load: Why the Load Evolves Faster
When evaluating any system—or collection of systems—in terms of power solutions, power supplies, or analyses related to power consumption, energy efficiency, or energy storage, it is helpful to separate the sources from the loads. At its most basic level, this means distinguishing the power supplies from the end loads that consume the power they provide. Consider the sources and loads as independent black boxes that "communicate" with each other. The figure below illustrates a conceptual breakdown of a system in block diagram form—specifically, a computing or server-like architecture—emphasizing the distinction between typical power sources and loads.
Fig. 3: System Block Diagram Separating SOURCES from LOADS, courtesy of PowerRox [1]
This distinction is particularly important when examining the pace of technological advancement in complex systems composed of numerous components influenced by engineering, manufacturing, and supply chain variables. The trends of exponential improvement, whether transistor count, power density, or
energy efficiency, are more strongly associated with the load side than the source side. Source-side components, typically comprising magnetics, power transistors, and
energy storage, tend to evolve at a slower rate compared to low-voltage semiconductors.
PoL转换器拓扑并未改变
原则上 PoL 转换器的转换拓扑在过去几十年的变化不大。它们使用
降压、升压和升降压电路，因此仍采用半导体开关、二极管或同步整流器、电感和电容，透过脉冲宽度调变或频率调变实现调节。开关已经发展到能在更高的频率表现出更低的静态和动态损耗，同时电感器磁芯材料经过逐步改进已降低损耗，电容器也是如此。结果就是提高了效率，进而增加了功率密度，因此在相同的负载和温升的条件下 PoL 转换器可以更小。然而优点并不会遵循摩尔定律，电源转换器仍然占用了大部分的电路板空间。
PoL 转换器尺寸造成的问题是在于分立式组件传统上是用在基板上而且几乎不会集成在一起。原因很简单，它们是功率转换器因此一定会发热，因此需要大型组件来保持较低的温升。此外，除了体积庞大的分立组件，电感器及其磁芯也很难制造，加上铁氧体磁芯技术在过去几十年中仅取得了一点进步。这意味着需要一定数量的线圈匝数，线圈也必须够厚以承受更高的电流而不会过热，因此造就了一个庞大的组件。由于在相同的磁芯磁通密度和输出纹波电流下开关频率升高，因此所需的线圈匝数确实会减少，但磁芯和 PoL 转换器的开关损耗会增加，无论如何都需要更大的 PoL 来散热。这一切都是在说按比例缩小 PoL 转换器的尺寸往往会直接引发热的问题，从而限制整体增益，这就与处理器不同。
Getting Creative While Keeping the Pace
Since load power budgets are decreasing faster than source power availability is increasing, keeping up with Moore’s Law now requires a focus on reducing power budgets rather than simply designing larger power supplies. Intelligent Power Management (IPM) techniques help optimize power distribution and usage in computer systems and data centers [3].
This mindset shift includes:
- Transitioning from always-on to always-available power architectures
- Peak shaving, using energy storage to handle high-power peaks while optimizing steady-state power
- Load shedding/consolidation, turning off unused subsystems to improve power efficiency
- Power allocation optimization, avoiding over-engineering power supplies for worst-case scenarios
满足所有应用需要多种电源模块
负载点转换器没有标准输入范围，所需的输出范围可能在 0.5V 到 3.3V 左右，传统模块可能需要 5V。额定电流也可能在一安培以下到几十安培不等。
电源模块的输入可能来自 12V、5V、3.3V 的稳压总线，有时也可能是一个中间值如9V。越来越多的电池供电设备的输入来自 3.7V 左右的锂离子电池，但充电时可能超过 4V，而严重放电时可能低于 3V。输入可能同样地来自未调节电源并在 2:1 或更大的范围内变化。
为了满足广泛应用，RECOM 现在提供
RP 和
RB系列的部件，升压转换器的输入电压低至 0.85V，降压转换器的输入电压高达 65V。所有部件均具有可调输出，适合需要 0.6V 至 35V 任何输出的应用。部件的额定电流为 0.5A 至 15A。图 5 总结了现有的降压转换器产品系列。
图 5：RECOM 提供的各种降压电源模块以及它们的输入电压和额定输出电流
图 6 同样显示了 RECOM 额定电流高达 10A 的升压电源模块系列。RBB5-1.5 和
RBB10 为升降压转换器，输出可高于或低于输入，在电池放电时能够很好地调节电池电源。
升压转换器最高到1.5A 包含输出过压保护，所有的都具备真正的负载断开功能，这个是必要的因为停止开关时通常还是会有一条DC路径直接流过升压转换器。所有的降压和升压转换器具备过热和输出过流保护。
图 6：RECOM 提供的升压和升降压电源模块
摩尔定律可应用在 PoL 转换器上吗？
那么
电源模块是否赶上了摩尔定律？让我们举几个例子来比较 4A 的 24V 输入和 3.3V 输出的 PoL 转换器。就在四年前也就是 2018 年，有一个部件被宣称是「引领电源转换进步」。它的占地面积为 33mm x 13.6mm，高 8.8mm，体积为 3950mm
3。如今RECOM
RPX-4.0 的占地面积为 5mm x 5.5mm，高 4.1mm，体积为 113mm3，功率密度提高了 35 倍。有趣的是这两个部件的效率大致相同，改善全部放在更高的开关频率、更小的组件和 3D 电源封装技术。
另一个示例可能是将 5V 转换为 1.8V 时电流为 2A。仍可以看到较旧的通孔部件，其尺寸为 14mm x 7.5mm，高度为 10.1mm。将其与 RECOM
RPZ-2.0 进行比较，其尺寸为 3mm x 3mm，高度为 1.1mm，功率密度增加了 107 倍（图 7）。尺寸减少了近 12 倍，RECOM 部件仅占用主板的一侧，避免了可能的手动放置和通孔焊接的不便。
图 7：旧技术通孔 5V 至 1.8V/2A PoL 转换器（左）与 RECOM RPZ-2.0（右）的比较（尺寸以毫米为单位，按比例）
电源模块的价值主张已明确
使用较旧的开放式 DIP 封装 PoL 转换器时，用户通常会发现相同的组件也安装在他们的主板上，让外购模块的价值受到质疑。即使是节省空间的 SIP 部件，用户也可以利用他们主板上相同的组件样式和组装技术轻松地复制以节省成本。然而，使用 3D 电源封装的电源模块以主板制造技术根本无法经济地复制，这些模块现在可以被视为用户永远不会想要自己制造的组件，就如电阻器或电容器一般。电源模块的尺寸让它们现在可以轻松地安装在下方或其他组件周围，加上现在使用高度自动化的制造技术进一步降低成本并提高可靠性。
结论
电源模块现在提供的功率密度性能远远超过分立式解决方案。近年来的收益已与 IC 晶体管密度相媲美，符合摩尔定律。随着制造自动化成本竞争越来越激烈，将所有采购、库存、空间和测试开销纳入考虑时，模块解决方案很明显地脱颖而出。RECOM 提供多样化的产品系列，涵盖所有常见的功率和电压等级，适合手持设备到服务器和电信板等广泛应用。
参考文献
[1] [1] B. Zahnstecher, “Best Practices for Low-Power (IoT/IIoT) Designs: SEPARATING THE SOURCE-SIDE & LOAD-SIDE ANALYSES,” ECCE 2022 Tutorial, Detroit, MI, October 9, 2022
[2] “DC/DC for GaN,” RECOM Blog, Sep 16, 2022, https://recom-power.com/rec-n-dc!sdc-for-gan-225.html (accessed January 23, 2023)
[3] Data Center Facilities Definitions, "Intelligent Power Management (IPM)," TechTarget, https://www.techtarget.com/searchdatacenter/definitions/Data-center-design-and-facilities (accessed February 24, 2023)
