為了盡可能降低筆記型電腦和行動設備功耗，業界逐漸採用了雙平面配置，讓 CPU核心可在較低電壓下運作，而I/O則保持在3.3V。例如工作時脈可達4GHz，使用7nm製程的當代處理器，其核心電壓已經不到1V，而峰值功率則高達約140W。
因應半導體製程演進 CPU電源走向低電壓大電流
降低工作電壓可以明顯地降低功耗，因為採用先進半導體製程所生產的元件，其絕緣層厚度通常僅為0.5nm，或大約為兩個原子尺寸。工作電壓越高，CPU電晶體中的金屬氧化物絕緣層會承受更大應力，並由於「隧道效應」影響而增大漏電和功率損耗。然而，為提供更多運算性能，現代的CPU普遍支援多執行緒程式碼，並採用多核心硬體架構，故即便工作電壓降低，消耗電流仍大幅增加，使得CPU的總功耗還是比以往增加。
集中式電源系統適合於單平面配置，在低電流下，連接路徑上低壓降可保持IC高精度。伴隨電壓降低，電流增大，精度指標也越來越嚴格。需要使用「中間匯流排」配置來使系統處在較低電流下，電壓達到較高值，通常為12V，然後 DC-DC轉換器將電壓降至接近負載操作水準。
電信環境中，電源必須可靠，並需儘量減少投資和環境成本。伴隨計算技術發 展，迫使電源架構也發生重大變化。在上世紀90年代初期之前，集中式電源系 統是標準配置，採用一個AC-DC整流器產生帶有後備電源-48V匯流排(圖1a)。之後，DC-DC轉換器能夠向機櫃中機架提供較低電壓，通常為5V和±12V。
但這種電源架構的靜態或動態穩壓能力都很差，單一元件故障就可能會使整個系統當機。因此，業界設計了一種分散式電源架構(DPA)，將提供後備電池-48V連接至每個機架，在板卡上的隔離式DC-DC轉換器提供端電壓(圖1b)。冗餘式板卡現在可以熱插拔，從而在負載進行嚴格電壓調節狀況下使系統能夠繼續運作。許多隔離式DC-DC轉換器會導致較高成本，因此有時會使用集中式和分散式混合配置。
下一個增強型功能是中間匯流排架構(IBA, 圖1c)，其中，每塊卡上單個「匯流排」(IBC)轉換器提供隔離，並將電壓降壓轉換為典型5V或12V中間電壓，低 成本、非隔離式DC-DC或負載點(PoL)轉換器可提供端電壓。匯流排轉換器由-48V、24V甚至400V供電，以保持較低初級電流和傳導損耗。由於PoL轉換器 通常為寬輸入，且不需嚴格穩壓電源，根據具體應用，該轉換器可以是完全穩壓、半穩壓或非穩壓式。
匯流排/PoL電壓演進-高者更高、低者更低
IBA如今在業界已經很常見，在匯流排轉換器有各種變體，以便能夠在各種具體應用中提供最佳整體效率。伴隨負載註定持續增大，12V中間匯流排電壓遇上高電流時，會導致一些問題產生，故最新設計趨向於將匯流排電壓提高至48V，並規定PoL轉換器在極端狀況下將該電壓直接降至1V以下。
高轉換率會在轉換器中產生短脈衝和高峰值電流，由於效率方面考量，幾年前這些還不切實際。但是，隨著半導體和功率轉換拓撲架構發展，這種方法現在被認為切實可行，尤其是具備更少匯流排電阻性損耗，更小尺寸和更低成本等競爭優勢。
出於效率考量，可以使用級聯負載點。例如，I/O需要從48V降至3.3V，為另一個負載點供電需要從3.3V降至1.8V。系統設計人員將生成一個功率樹來表示所提出體系架構。圖2為賽靈思(Xilinx) SoC之典型「功率樹」。
用於IBA之負載點需要滿足有關輸出雜訊、電壓容差以及靜態和動態穩壓嚴格 規範。典型要求是對於最敏感負載，例如以1V運作內核電源，且負載步長為5A或更高的DSP，在所有條件下將輸出保持在±3%以內。轉換器控制回路必須足夠快速，這意味著需要較高切換頻率，反過來又要求使用高性能半導體元件，或者使用最新寬能隙元件以獲得最佳效率。
特定負載點應該能夠與其他負載點進行「排序」，以便電源軌按正確順序升壓和 降壓。CPU需要與負載點保持通訊以動態調整輸出電壓，並通常透過I2C介面使 用PMBus命令監控性能，如輸出電流、溫度和故障標誌等。最新負載點設計還將具有數位回路控制功能，可針對不同應用，或隨時間而變化條件導致負載和輸出電容變化，來實現最佳性能。因此，負載點中控制和監控非常複雜。即便經典「降壓」轉換器基本拓撲架構，也會透過同步 整流和多相操作而得到性能提升，以便在高負載電流下實現所期望效率，同時保持輕負載條件下損耗較低。
PoL尺寸要求嚴格 高整合度模組大行其道
PoL轉換器規格隨負載而有所不同，CPU、FPGA、ASIC、SoC和ACAP元件都有其特殊需求。在每一種狀況下，轉換器都必須安裝在盡可能靠近負載位置，以 實現最佳性能，從而在電路板佈局中出現需要解決如何容納一系列位址和I/O線問題。因此，PoL需要非常小巧緊湊，由分離元件構建PoL幾乎不可行，而模組式設計則是比較自然選擇。
這種方法還具有其它優勢，可以使用經過預先測試和認證，並符合行業標準尺寸零部件，以便更充分低利用垂直空間。PoL中必需技術還要求在功率級中精 心布置電路板中電源平面、遮罩層和緊湊電流回路，以降低EMI影響。相對於主機板而言，這些功能在專用型模組基板(Substrate)上更易實現。對於包含100多個元件之典型PoL，相較採用分離式解決方案，選用模組方案對於庫存和採購也明顯更加簡單。
如果功率級可用模組購買，並與協力廠商電源管理和控制IC相容，也可以採用 混合解決方案。在這種狀況下，IC放置在主機板，模組則放置在IC之上，或有 時放置在主機板對側。
PoL轉換器具有通孔或可插拔SIP格式，能夠占用最少電路板空間。德州儀器(TI)、RECOM、CUI、TRACO、村田製作所(Murata)、艾波比(ABB)等眾多廠商，都可提供類似產品(圖3)。表面安裝模組是實現製造經濟性之首選要素，這裡有多種選擇，包括鷗翼式(Gull- wing)、塊形支腳(Block feet)、LGA和iLGA(Inspectable Land Grid Array)。輸出電壓可低至幾分之一伏特，電流可達40A以上。
例如，Murata的MYMGA monoblock系列可透過尺寸僅為10.5×9.0x5.6mm的LGA封裝裝提供12A電流，這些元件輸入範圍為4.5~8V或8~15V，輸出可在0.7~1.8V範圍內調整，效率峰值則為93.5%。該系列可滿足FPGA/CPU對準確 電壓軌要求，能提供±1%最大負載穩壓率(圖4)。
Texas Instruments通孔格式PoL轉換器PTH08T250W可提供±1.5%嚴格負載穩壓率，但具有0~50A輸出負載範圍，可以選擇模組平行連接以提供更高電流。該元件輸入範圍為4.5~14V，輸出可在0.7~3.6V之間調節，效率高達96%。村田 和TI提供的方案均適合IBA配置，其中匯流排電壓也得到寬鬆調節，從而提高整體效率。
所有轉換器都具有全面保護功能，有些轉換器符合分散式電源開放標準聯盟 (DOSA)定義的通用性能和引腳輸出標準。需要注意一項功能是啟動預偏置負載 能力，這種負載可能出現在具有多個電壓軌系統中。更複雜PoL轉換器包括更多監視和控制功能，例如ABB公司Lynx系列中Tunable Loop功能，允許使用者調節電壓控制回路，以最大程度提高動態性能，同時儘量減小任何特定負載下輸出電容。
模組化PoL供應商提供的演示板通常具有圖形化使用者介面(GUI)，可以設置回 路回應，並能夠控制和監視各個參數。
CPU規格演進驅動PoL方案需求
當代處理器和可程式元件都具有非常出色性能，現今已經廣泛應用在從訊息娛樂到電信和工業等各個領域。為這些元件提供電源給DC-DC轉換器設計人員帶來巨大挑戰，需要提供越來越低電壓和更高電流。模組化PoL轉換器可與匯流排架構相匹配，能夠提供清潔、高性能、高轉換效率電壓軌，從而可以明確地解決上述問題。
相較分離元件，所有這些模組化PoL轉換器都能夠提供一種經濟解決方案，內建智慧特性可根據負載要求調整PoL性能，並能夠添加控制命令和狀態訊號，從而進一步為應用帶來更多價值。
(本文作者任職於貿澤電子)
