帮助电源解决方案跟上摩尔定律的步伐

2023-5-5
Three graphs show relationships between size, weight, power and frequency, as well as density
对于电子和电气设备蓝图的发展速度，注意力通常会围绕在摩尔定律甚至微机电系统 (MEMS)。以更务实的角度来看，讨论重点似乎应该着重在系统组件（尤其是电源解决方案）是如何让系统利用类摩尔定律在计算晶体管密度上的进步所带来的优势。这篇博客将分析这个观点，试图描述这个差距并解释此分析的源端和负载端并没有像表面上看起来那么遥远。

目录

将源端和负载端分离

根据电源解决方案或与功耗、能源效率或整体能源或碳足迹相关的分析来对任何系统（或系统集合）进行分析时，将源与负载分开出来能帮助整个过程。在最简单的形式中，也就是将电源或解决方案与消耗它们所提供的电力的终端负载分开。可以把 SOURCES 源端和 LOADS 负载端视为彼此会互相「对话」的独立黑盒。下面为系统细分框图，这个图以不同的颜色区分计算或类服务器的架构，以显示系统中典型源端和负载端之间的差异。


图 1: 将源端与负载端分开的系统框图，由 PowerRox [1] 提供

若想要了解一个复杂系统的技术如何进步时，这种将源端与负载端分开的区别尤其重要，因为这个系统包含大量的组件，均受无数工程、制造、供应链和全球经济的影响。呈指数成长的进步趋势（无论是晶体管数量、尺寸大小、功率密度或能效等指标）往往与负载端的关联远大于源端，而这并非偶然。源端组件倾向以磁性组件、功率晶体管和 储能组件为主。如低压半导体那样，这些组件的关键品质因数 (FOM) 通常不是每年而是每十年翻一倍。

摩尔定律跟电源解决方案有何关系？

如要了解电子和电气设备路线图的发展速度通常会围绕在摩尔定律[2]，这更像是晶体管微缩的经济趋势而非任何类型的技术微缩规则（参见登纳德缩放比例定律 [3] ) 或是传统意义上的物理定律。因此，即使没有在技术上进行追踪，会觉得电子行业似乎有一个普遍的认知，就是一切事物都以某种方式坚持每18-24 个月将性能翻倍（例如所有组件、供应链和工程突破）。当然，光是「性能」的定义都可能成为争议，因此为了本次讨论的目的我们将这个议题暂放一边。

除了摩尔定律对集成电路 (IC) 的晶体管尺寸或数量有所影响之外，还有另一个趋势推动着主要系统功率预算的降低。摩尔定律使逻辑以指数速度缩小，微机电系统 (MEMS [4]) 将传感器缩小并集成到肉眼几乎看不见的程度。但应该要清楚区分两者，虽然摩尔定律倾向于将负载功率大幅增加（即每个晶体管的功率下降，但封装更多晶体管因此在相同的占地面积的功率密度或耗散功率会不断上升）。然而 MEMS 往往会导致负载功率大幅下降，因为即使单个传感器功率呈指数下降，应用也不需要传感器数量指数增长。另一方面，MEMS 正在推动集成多个传感器（有时还包括处理或通信共同封装），而这将在下一节更详细地讨论。

随着晶体管尺寸缩小，阈值电压也随之降低，实际上这代表 IC 可以在偏置电压轨不断降低下运行。这就是为什么微处理器从需要 ~2.5/3.3V 电源轨到 ~1.2/1.5V，而现在甚至到 <<1.0V 的原因。如前面所述，封装更多低压晶体管的情况下功率密度仍持续升高，因此导致了一个不断要为这些密集负载提高输入电流的趋势。密集的负载还增加了对更快电压 (~100V/ns) 和电流 (~1,000A/µs) 转换的瞬态需求，从而给电源带来了更大的压力。

电源解决方案如何跟上摩尔定律的步伐？

正如许多有关电源解决方案设计和优化的文献所强调的，系统最常见的 FOM 是尺寸、重量和功率（也称为 SWaP）。与成本指标结合时也可称为 SWaP-C [5]。明显地显示出减少负载是如何推动常规 SWaP 持续进步，但在源端则不然。

以更务实的角度来看，讨论重点似乎应该着重在系统组件（尤其是本博客上下文中的电源解决方案）是如何让系统利用类摩尔定律在计算晶体管密度和MEMS 器件集成度上的进步所带来的优势。电源解决方案不需要跟着低压晶体管一起缩小，甚至不需要为了使系统能使用升级增强后的负载而采用1:1 的比例满足它们的功率密度。

上述增加的瞬态会自然地将电源推向高瞬态负载。这不仅是为了藉由减轻热耗散 (P=I2R) 和电压降 (V=IR) 来优化效率使更高的电流变得更具挑战性，而且还可以防止即使是很小的寄生等效串联电感导致的灾难性电压过冲 ( ESL，几nH到几十nH不等的寄生电感)，而这在前几代的系统中是可忽略不计的。这凸显了设计电源解决方案时遇到的主要挑战，也就是这些方法需要用更快的电源开关，尤其是宽带隙 (WBG) 化学物质如 氮化镓 (GaN)、碳化硅 (SiC)、砷化镓 (GaAs) 或氮化铝 (AlN) 来跟上摩尔定律和 MEMS 的步伐[6]。下图凸显出仅仅是来自于组件封装的极小 ESL会如何对您的设计产生灾难性的影响，这甚至还没有到要把大量时间和精力投入到尽可能设计出一个能够良好处理这些电流的既干净又紧凑的布局。要注意的是主要的瓶颈是在高频磁性材料上缺少研发投入，无法将 WBG 功率开关的超快速度潜力完全地释放出来。

Electronic components and their performance data
图 2: 根据常见器件封装和特性计算出寄生电感引起的电压过冲，由 PowerRox 提供 [7]
集成技术和先进封装技术得以让电源解决方案与不断缩小的负载保持同步。摩尔定律允许将电源管理和控制功能集成到整合度更高的电源管理 IC (PMIC) 中，从而直接促进电源转换，而 PMIC 可以集成电源转换（甚至集成电源开关）、控制逻辑、电源调节、数字控制或遥测报告、以及外部能量存储和反馈管理。

这种电源子系统的集成将分立式解决方案引进 IC 领域，显着减少占用电路板空间，同时强化控制并优化能量换向的整体效率。

MEMS 传感器与其他微型组件（如微控制器、无线电和天线）的异构集成直接降低了这些负载的功耗以及减轻了独立支持每个负载的系统开销所带来的节省。以如此小的功率支持如此多的系统组件，这本身就为特定的电源解决方案增加了价值主张，因为现在相同的功率得以支持更多的负载，而由于能够以更小尺寸的电源提供更多的功率输出，因此SWap 得到进一步的改进（甚至支持更宽的输入电压范围）。
Cross section of a semiconductor package
图 3: RECOM RPX 系列负载点 (PoL) 转换器的 3DPP® 概念
本博客 [8] 讨论的所有内容都集合在3D电源封装 (3DPP®)。虽然改进磁性材料性能的步伐较慢，但随着从绕线（通常涉及到人员的绕线技术）转到平面磁体，藉由精细控制的特性来布置绕组并集成到带有嵌入式磁芯材料的印刷电路组件 (PCA)，电源解决方案的主要磁性组件的整体性能和尺寸都因此得到了显着改善。

这使得即使是高度复杂的磁性结构也能够以严格的制程控制（例如提高可靠性），同时利用制造规模经济来满足 SWaP-C 列表中几乎所有的目标项目。下图是一个负载点 (PoL) 转换器的剖视图示例，该转换器将控制/开关 IC 芯片、功率磁体和模块封装集成到一个紧凑的解决方案之中，该解决方案针对空间和热管理进行了优化因此更容易散热。

发挥创意并保持步伐

鉴于上述负载端（系统）功率预算的减少趋势比源端（电源解决方案）提升可用性来得更快的观点，全神贯注在降低系统功率预算上而不是将大部分工程周期用来建置更大的电源，才能比较容易跟上摩尔定律的步伐。这就是智能电源管理 (IPM) 技术的大放异彩之处。IPM 是「硬件和软件的组合，可优化计算机系统和数据中心的电力分配和使用」[9]。这更像是一种设计思维，例如将电源子系统架构从「始终在线」转变为「始终可用」的思维方式可以为最终解决方案的结果带来典范转移。

储能组件始终需要和使用更高的能量密度和更好的循环寿命品质因数。就如磁学路线图一样，安全且务实的能量存储的进化与摩尔定律的步伐相差一个量级。即使是这种情况，这并不意味着阻碍了电源跟上系统改进的脚步（主要是 SWaP-C）。最能看到这一点的地方是根据最坏的情况（需求、瞬态、温度、制造公差、安全裕度等）调整电源解决方案，在满足系统或应用的需求和避免过度设计之间寻找平衡之际，提供了非常广泛的主观性范围。这一点也强调了在设计和实施各自的电源解决方案之前要仔细描绘负载特性的重要性和理由。例如，系统可能不经常出现高功率消耗峰值，其中大部分的时间都处在明显较低的稳态功率水平。将系统所有的电源、上游配电或电源保持等设计来为那些局部储能就可以应付的鲜见的峰值是非常浪费的（就资本和运营支出而言，亦即CAPEX/OPEX）， 因此要为系统的其余部分针对低稳态进行优化。这就是调峰的概念，它可以应用于任何系统，从微功率到大功率皆适用。

另一种智能电源管理是采用负载整合、负载分配以及减载技术。对比在效率曲线的上游运行的电源解决方案，没有什么比关闭的东西使用更少的功率，也没有什么比负载峰值点运行的负载更有效地利用有功功率。因此无论是不使用时关闭子系统的电源（即处于睡眠状态的无线电、IC 的暗硅），还是将需要独立电源的较小负载整合起来，这都能有效地实现更密集、更高效的电源解决方案。智能化功率分配的一个例子是了解外部电源需求的真实情况，例如使用通用串行总线 (USB) 或 以太网供电 (PoE) 端口，这些端口或许能够以聚合峰值的形式提供更多电源但不会全部同时运行，因此上游电源不应该被设计用来提供聚合峰值。

此外，所有系统负载都同时以最大值运行的情况并不常见，因此简单地将所有负载的最大值（例如数据表最坏情况最大值）相加以建立系统功率预算，这在几乎所有的实例中都是非常不切实际的。如果可以的话，将复杂系统的负载分开并加以分组可以优化其特定的电源子系统，因此有助于优化 SWaP-C。这使设计工程师能够在两者之间各取其长（摩尔定律/MEMS 和非摩尔定律/MEMS 的直接影响）。

结论

没有人会大胆声明电源解决方案的各个方面都将与摩尔定律和 MEMS（很快地将被称为纳米机电系统或 NEMS）设备的发展持续保持同步，这是在自欺欺人。正如过去几年在行业中普遍描述的那样，摩尔定律本身似乎很难在可预见的未来继续下去（以其现有的或类似的形式）。虽然这可能会在源端可用功率和负载端功率需求之间造成差距，但这种差距不会继续呈指数增长并造成不断扩大的鸿沟而使电源子系统成为一个必须缩减系统功能的理由。

如前所述，电源解决方案的设计人员和系统工程师使用多项创新技术以跟上脚步，持续运用摩尔定律和 MEMS 定期发展出来的新技术。IPM 技术是其中的核心，因为我们能更好地利用每瓦特而不是传统意义上的去匹配源与负载（例如最坏情况下的峰值）。在帮助达到预期的系统性能的锦囊中，储能系统也是一种被高度低估和未充分利用的法宝，既可靠又能继续走在减小系统尺寸和增加功率密度的道路上。

归根结底，对于管理源和负载之间差距来说3DPP® 和其他先进的封装技术确实是领头羊，因为与单纯的磁性组件或 储能设备中看到的相比，它们更能够对关键的质量因素进行显着的改善。

文献

[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] Wikipedia contributors, "Moore's law," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Moore%27s_law&oldid=1139518707 (accessed February 24, 2023).
[3] Wikipedia contributors, "Dennard scaling," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Dennard_scaling&oldid=1134445777 (accessed February 24, 2023).
[4] Wikipedia contributors, "Microelectromechanical systems," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Microelectromechanical_systems&oldid=1139870714 (accessed February 24, 2023).
[5] “Power Supply Design for maximum Performance,” RECOM Blog, Oct 21, 2022, https://recom-power.com/rec-n-power-supply-design-for-maximum-performance-229.html (accessed February 15, 2023).
[6] “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).
[7] E. Shelton, P. Palmer, A. Mantooth, B. Zahnstecher, G. Haynes, “WBG Devices, Circuits and Applications,” APEC 2018 Short Course, San Antonio, TX, March 4, 2018.
[8] “Introducing RECOM 3D Power Packaging® (3DPP®),” RECOM Blog, Feb 26, 2021, https://recom-power.com/rec-n-introducing-recom-3d-power-packaging-%283dpp%29-145.html (accessed January 23, 2023).
[9] Data Center Facilities Definitions, "Intelligent Power Management (IPM)," TechTarget, https://www.techtarget.com/searchdatacenter/definitions/Data-center-design-and-facilities (accessed February 24, 2023).