功率模块正在跟上摩尔定律的步伐

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。

功耗并没有随着复杂性的增加而增高，但电流有

处理器和现在的 SoC 所需的功率并没有随着晶体管数量的增加而增高，因为器件电容也会随着晶体管尺寸的缩小而减少。这导致较低的动态损耗和较低的电流消耗，也因为尺寸减小所以采用较低电压的电源轨以避免击穿，也有助于降低功耗。然而功率仍然从 Intel 4004 的 1W 左右增加到最新产品的 150W 以上，并且电流消耗从 67mA 增加到 150A 左右，等于是增长了 2200 倍。

电流急剧增加以至于现在需要将稳压器安装在非常靠近处理器的位置，以避免过度压降并提供所需的高峰电流，这对电源设计人员来说是一个挑战。摩尔在 1965 年撰写他的文章时，一个 150W 的 DC/DC 转换器的大小和重量有一块砖头那么大，而且即使采用当时最新发明的开关电源转换技术损耗也会很高。随着时间的推移以及更好的同步整流和半导体技术的出现，效率得到了提升，但直到最近大功率负载点(PoL) DC/DC转换器的体积仍大得令人尴尬。电源模块制造商通常采用单列直插式(SIP)和不方便的通孔封装，以高度和阻挡气流为代价来保留电路板空间。处理器和复杂 IC如 ASIC 和 FPGA也需要多个电压轨，但功耗通常比较低。例如，Xilinx 的 Zynq 7000 FPGA 需要五个电源轨，范围通常为 1V 至 3.3V（图 2）。

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。

为了小型化 DC/DC 转换器必须「类 IC」

PoL 转换器可以使用控制 IC集成越来越多的功能，高频开关可以缩小电感器和电容器的尺寸。功率开关比较容易集成在控制 IC 之中，电感器仍难以集成并且通常被视为外部组件。这让用户多了空间的成本，必须仔细优化布局以避免 EMI 的问题。为了应对集成和小型化 PoL 转换器带来的真正挑战，设计人员开始采用「类 IC」方法和更进步的传热技术。举例来说，如果 PoL 转换器是包覆成型的，可以使用引线框架而不选择玻璃纤维电路板，同时采用平面网格阵列式表面贴装终端以获得更好的封装系数和增强热性能。为了更好地利用 Z 轴空间，电感器可以集成到引线框架上方的模制件中。

RECOM [2] 凭借着「3D 电源封装」的概念成为了这些技术的先驱。RPX 系列 是一个很好的例子（图 3），它就具有「引线框倒装芯片」结构。1.5A 版本使用 4 至 36V 输入提供0.8–24V 可编程输出，采用 QFN 封装，占地面积为 3mm x 5mm，高 1.6mm。

使用传统基板的情况下，PoL 的控制 IC 可以嵌入 PCB 层内以节省空间，如 RECOM 的RPL-3.0 系列(图4)。芯片基本上是裸露的，有一个额外的重新分布金属层，硅直接触碰到 PCB 的铜导线。SMT 电感器、电容器和其他无源组件通常放在基板的上面，并通过底部的镀金焊盘连接到PCB。因此部件能够在 4V 至 18V 的宽输入范围提供 15W 以上的输出，占地面积仅 3mm x 3mm，高 1.45mm。

RECOM 的其他产品使用有塞孔和盲孔的多层 PCB 实现高功率密度，例如采用 25 焊盘 LGA 封装的 RECOM RPM、RPMB 和 RPMH 系列。部件因为有热增强的配置加上六面金属屏蔽因此可以在高达 85°C 的环境温度下全功率运行。

这些新一代PoL 转换器模块降低了高度和占地面积，打开了安装在主板「背面」处理器下方的可能性，甚至可以将它们与复杂的 IC 共同封装。小型化还有另一个好处，转换器会生成EMI的环路非常小，因此辐射也非常低，有助于减少对额外滤波的需求并进一步释放电路板空间。

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 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。

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 3950mm3。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。

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] https://pr.tsmc.com/english/news/2939
[2] https://recom-power.com