电源模块正在追赶摩尔定律

虽然摩尔定律推动了晶体管密度的指数级增长，但相关的功耗并未按直接比例增加。这主要是由于随着特征尺寸缩小，器件电容降低且阈值电压降低，使得供电电压从约 3.3V 降至 1.0V 以下。这些变化降低了动态损耗，但随着更多晶体管被塞进更小的区域，功率密度也随之上升——电流需求也随之增加。

尽管总功耗有所增加——从早期 CPU（如 Intel 4004）的约 1W 到现代 SoC 的超过 150W——但电流的增长幅度要大得多，从 67mA 跃升至约 150A，增长了 2200 倍。这给电源传输网络带来了巨大压力。电压调节器现在必须极其靠近处理器放置，以最大限度地减少电压降并处理急剧的瞬态负载。一个高功率的 DC/DC 转换器（在 1960 年代曾占据一块砖头大小），现在可以小到指尖般大小，但这一转变经历了数十年的创新。

回溯到摩尔首次发表他的预测时，即使采用当时新发明的 开关模式电源转换技术，一个 150W 的转换器也会面临高损耗和巨大体积的问题。尽管同步整流和改进型半导体等现代技术提高了效率，但紧凑型大电流转换器直到最近仍是一个设计挑战。

此外，复杂的 IC（如 ASIC 和 FPGA）通常需要多个不同电压的供电轨——通常范围在 1V 到 3.3V 之间。例如，Xilinx Zynq 7000 FPGA 需要五条独立的供电轨（见图 2）。高效地提供这些电压使得现代 '负载点' (PoL)转换器的角色比以往任何时候都更加重要。

为了实现真正的小型化，现代 PoL 转换器越来越多地集成控制 IC 和高频开关，以减小电感器和电容器的尺寸。虽然功率开关相对容易嵌入，但电感器传统上仍保持外部，这使布局复杂化并引起 EMI（电磁干扰）担忧。为了克服这些挑战，设计人员采用了“类 IC”的组装方法和先进的散热技术。

一项突破是 RECOM 的 3D Power Packaging^® 技术，它使用塑封引线框架代替玻璃纤维板，并将电感器集成在塑封体内，优化了垂直维度。RPX 系列就是例证，其采用“引线框架倒装芯片 (Flip Chip on Leadframe)”设计，封装在紧凑的 QFN 封装中（占板面积 3mm x 5mm，高度 1.6mm），可提供高达 1.5A 的可编程输出电压（图 4）。

在使用传统基板的地方，PoL 控制 IC 可以嵌入 PCB 层内以节省空间，如 RECOM 的 RPL-3.0 系列所示（图 5）。这种方法使用裸片（Bare Die）和金属化再分布层（RDL），将硅直接连接到内部铜走线，并结合基板顶部的 SMT 电感器和无源元件。RPL-3.0 系列在宽输入范围（4V 至 18V）下，从微小的 3mm x 3mm 占板面积和 1.45mm 高度中提供超过 15W 的输出功率。

进一步的发展来自 RECOM 的 RPM、RPMB 和 RPMH 系列，它们通过采用内部多层 PCB（带插接孔和盲孔）以及六面金属屏蔽，实现了高功率密度。这种增强散热的设计支持在超过 85°C 的环境温度下满功率运行。这些现代 PoL 转换器减小了尺寸和高度，实现了新的可能性，例如直接安装在处理器下方的背面安装，或与复杂 IC 进行共封装。小型化还最大限度地减少了产生 EMI 的环路，降低了辐射和对额外滤波的需求，从而释放了宝贵的电路板空间。

为了跟上负载缩小和功率需求增长的趋势，电源解决方案必须：

• 通过将电源靠近高瞬态负载放置来改善瞬态响应
• 通过减少散热和电压降来提高效率
• 利用基于宽带隙 (WBG) 材料（如 GaN、SiC、GaAs 和 AlN [2]）的先进功率开关器件
• 优化高频磁性元件，以缓解电源性能瓶颈