【導讀】正如許多有關電源解決方案設計和優化的資源所強調的那樣，係統常見的 FOM 是其尺寸、重量和功率（也稱為 SWaP 係數）特性。當與成本指標結合時，這也可以稱為 SWaP-C 因素 [5]。很明顯，負載的減少如何推動定期 SWaP 的改進，但在源方麵則不然。

當根據電源解決方案和/或與功耗
、能源效率或總體能源/碳足跡相關的其他分析來評估任何係統（或係統集合）時
，它有助於將電源與負載分開。

分離電源和負載

簡單的形式是將電源/解決方案與消耗這些電源提供的電力的終端負載分開。將源和負載視為相互“對話”的獨立黑匣子。圖 1 以框圖形式顯示了係統的任意分解，在本例中

，突出顯示了計算或類似服務器的架構，以顯示係統中典型源和典型負載之間的差異。

圖 1. 將源與負載分開的係統框圖

當試圖了解複雜係統中的技術進步時，這種將源與負載分離的區別尤其重要
，該複雜係統包含眾多組件（也許每個複雜係統都有其自身的權利），並受到無數工程、製造、供應鏈、和經濟變量。指數改進的趨勢（無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性遠大於與源側的相關性，這並非巧合。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，這類元件每十年的關鍵品質因數 (FOM) 往往會比每年翻一番。

摩爾定律與電源解決方案有什麼關係？

對電子和電氣設備路線圖發展速度的考慮通常會圍繞摩爾定律[2]，這更多的是晶體管縮放的經濟趨勢

，而不是任何類型的技術縮放規則（參見登納德縮放[3]） ）或傳統意義上的物理定律。因此，即使沒有在技術上跟蹤任何這些東西，電子行業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 個月性能翻倍的速度。當然，即使是“性能”的語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
，還有另一個趨勢正在推動主要係統功耗預算的減少。摩爾定律邏輯器件以指數速度縮小
，微機電係統（MEMS [4]）縮小並集成傳感器到肉眼幾乎看不見的程度。不過，應該清楚地區分
，摩爾定律往往會導致負載功率大幅增加（即，每個晶體管的功率會下降，但封裝更多晶體管會使給定占位麵積內的功率密度或耗散功率不斷下降）向上），其中 MEMS 往往會導致負載功率大幅下降，因為即使單個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。另一方麵
，

隨著晶體管特征尺寸的減小，閾值電壓也隨之降低，這實際上意味著 IC 可以在不斷降低的偏置電壓軌下運行。這就是為什麼微處理器從需要 ~2.5/3.3 V 電源軌變為 ~1.2/1.5 V 電源軌，現在甚至需要 <<1.0 V 電(dian)源(yuan)軌(gui)。如(ru)前(qian)所(suo)述(shu)，通(tong)過(guo)封(feng)裝(zhuang)更(geng)多(duo)的(de)低(di)壓(ya)晶(jing)體(ti)管(guan)
，功(gong)率(lv)密(mi)度(du)仍(reng)然(ran)會(hui)增(zeng)加(jia)，這(zhe)轉(zhuan)化(hua)為(wei)驅(qu)動(dong)這(zhe)些(xie)密(mi)集(ji)負(fu)載(zai)所(suo)需(xu)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)的(de)持(chi)續(xu)趨(qu)勢(shi)。密(mi)集(ji)負(fu)載(zai)還(hai)增(zeng)加(jia)了(le)對(dui)更(geng)快(kuai)電(dian)壓(ya)（約 100 V/ns）和電流（約 1,000 A/μs）轉換的瞬態需求，從而給電源帶來了更大的壓力。

電源解決方案如何跟上摩爾定律的步伐？

正如許多有關電源解決方案設計和優化的資源所強調的那樣，係統常見的 FOM 是其尺寸、重量和功率（也稱為 SWaP 係數）特性。當與成本指標結合時，這也可以稱為 SWaP-C 因素 [5]。很明顯
，負載的減少如何推動定期 SWaP 的改進
，但在源方麵則不然。

從更務實的意義上來說，對話似乎應該圍繞係統組件（特別是本博客中的電源解決方案）如何使係統能夠利用計算晶體管中類似摩爾定律的代際改進所帶來的進步MEMS 器件的密度和集成度。電源解決方案不需要隨著低壓晶體管而縮小，甚至不需要滿足 1:1 比例的功率密度
，以使係統能夠利用負載的不斷增強。

上述增加的瞬態將自然地推動需要使電源更接近高瞬態負載。這不僅是為了通過減輕熱耗散 (P=I2R) 和壓降 (V=IR) 來實現效率優化，而較高的電流會使這些問題變得更加困難，而且還可以防止因寄生等效串聯電感而導致的災難性電壓過衝（ ESL
，1s – 10s of nH）yiqianzailaoyidaixitongzhongbeirenweikeyihulvebuji。zhetuxianledianyuanjiejuefanganmianlindeyixiangzhongdashejitiaozhan，jitongguoliyonggengkuaidedianyuankaiguan，tebieshishiyongdanhuajia(GaN)
、碳化矽等寬帶隙(WBG) 化學物質來跟上摩爾定律和 MEMS 的步伐（SiC）、砷化镓（GaAs）或氮化鋁（AlN）[6]。圖 2 強調了僅來自組件封裝的如此小的 ESL 如何對您的設計產生災難性影響。這甚至是在人們花費大量時間和精力建立一個非常幹淨、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展方麵缺乏研究和開發，是充分發揮 WBG 功率開關超快開關速度潛力的終瓶頸。

ΔV過衝=L寄生×di/dt　

圖 2. 通過常見器件封裝和特性計算寄生電感引起的電壓過衝。

集ji成cheng和he先xian進jin的de封feng裝zhuang技ji術shu是shi電dian源yuan解jie決jue方fang案an與yu不bu斷duan縮suo小xiao的de負fu載zai同tong行xing保bao持chi同tong步bu的de驅qu動dong力li。摩mo爾er定ding律lv允yun許xu將jiang電dian源yuan管guan理li和he控kong製zhi功gong能neng集ji成cheng到dao更geng整zheng合he的de電dian源yuan管guan理li IC (PMIC) 中
，從而直接促進電源轉換，PMIC 可以集成電源轉換（甚至集成電源開關）、控製邏輯
、電源調節、數字控製和/或遙測以及外部能量存儲和反饋的管理。這種電源子係統的集成將分立解決方案帶入 IC 領域，從而顯著減少電路板占用空間，同時增強控製並優化能量換向的整體效率。

MEMS 傳感器與微控製器
、wuxiandianshebeihetianxiandengqitaxiaoxinghuazujiandeyigoujichengzhijiejiangdilezhexiefuzaidegonghao，bingjianshaoledulizhichimeigefuzaidebutongxitongkaixiao。tamenyirucixiaodegonglvzhichiruciduodexitongzujiandexingweibenshenjiuzengjialegeidingdianyuanjiejuefangandejiazhizhuzhang
，yinweixiangtongdegonglvxianzaikeyizhichigengduodefuzai
，dan SWaP 甚至通過使物理上更小的電源能夠同時提供更大的功率輸出（即使支持更寬的輸入電壓範圍）。

三維電源封裝 (3DPP) 是本博客中討論的所有內容的融合點 [8]。即使改進磁性材料性能的步伐較慢，隨著從繞線（通常涉及手動繞線技術）到使用精細控製的功能可布局繞組並集成到帶有嵌入式磁芯材料的印刷電路組件 (PCA) 中。這使得高度複雜的磁性結構能夠以允許嚴格的過程控製（例如，提高可靠性）的方式集成，同時利用製造規模經濟來檢查 SWaP-C 目標清單中的幾乎每個框。

圖 3.  RECOM 的 RPX 係列負載點 (PoL) 轉換器中的 3DPP 概念。

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