供電網絡
關注創建者：匿名 創建時間：2021-12-01
供電網絡的實例教程
埋入式電源軌電源互聯方式 圖源：IEEE
2019年，Arm 研究人員就提出了一種使用埋入式電源軌的CPU設計方案，在設計中，Arm 工程師發現，埋入式電源軌可以建立一個比普通前端供電網絡效率高 40% 的電力網絡。但同時他們也發現，即使使用具有前端供電功能的埋入式電源軌，提供給晶體管的總電壓也不足以維持 CPU 的高性能運行。這就意味著，僅僅使用埋入式電源軌依舊不能滿足所需電流，仍然必須從晶體管上方傳輸電力，該設計雖然實現電壓裕度了，但是工程師卻不得不犧牲芯片性能來降低功耗。
為進一步改善電力輸送，IMEC 開發了一種補充解決方案，將整個電力輸送網絡從芯片的正面移動到背面，“背面供電”技術就此誕生。
“背面供電”技術需要將晶體管下方的硅減薄至500nm或者更小，由垂直穿過硅背面的微米級通孔供電，將硅的背面連接到埋入電源軌的底部。
背面供電網絡電源互聯方式 圖源：IEEE
IMEC在Arm模擬芯片設計中發現，只需讓納米TSV（nTSV） 彼此間隔小于 2 微米，就可以設計一個背面 PDN，其效率是具有埋入電源軌的正面 PDN 的 4 倍，是傳統前端PDN 效率的 7 倍。
更重要的是，背面供電網絡還能為芯片上方的信號路徑留出了更多空間，能讓芯片制造商將更多晶體管擠入相同的硅片區域。這點對于實打實“寸土寸金”的晶圓來說，確實吸引力夠大。
兩種供電方式的對比 圖源：IEEE
在2021年6月 VLSI 研討會上，IMEC表明，背面供電是向電路供電的最有效方式，在很大程度上改善了傳統設計BEOL 中的電阻增加引起的電源電壓壓降，并發表了五篇論文展示了在開發實現背面供電網絡所需的關鍵技術構建模塊方面取得的進展，以此證明背面供電網絡可作為摩爾定律的結構縮放助推器。
展開 作為歐洲地區電動出行的領導者，雷諾公司的目標是在提升能源混合中可再生能源比重的同時，整合產能易波動的多種能源資源，以此維持供電網絡中能源供給和需求之間的平衡關系。
尼古拉斯·肖特伊向記者說到：“我們的固定能源儲備解決方案將彌補供電網絡中產生的差異。在某個固定的時間，雷諾的高級電池儲備系統將把所儲備的電能釋放給供電網絡，以緩解后者供需不平衡的現象。高度的能源聚合以及我們電池儲備系統的大容量，兩者結合將對任何主流電網提供高效的服務。”
來源：網易汽車
一種解決該問題的方法是采用 Vicor 高性能高密度電源模塊，基于創新供電網絡提供更高效、更靈活的充電解決方案。
WiBotic 主要為空中、移動、海洋及工業機器人市場提供無線充電和電源優化解決方案。WiBotic 始終致力于設計和制造各種解決方案，充分滿足為無人機及機器人電池充電的需求，其將感應和諧振系統進行完美結合，可實現更高的無縫充電體驗。基于云計算的軟件、API 和工具可確保機器人重新加載在需要時盡可能快一點，而在路線規劃量不大時則慢一點。
WiBotic 首席執行官 Ben Waters 表示：“我們的大量機器人創新都源于發射器上 RF 放大器的輸出，然后是接收器端整流器的輸入，在這里我們能動態微調系統阻抗，確保能讓空芯變壓器兩側的電源與負載阻抗保持匹配，從而最大限度增加電源傳輸。我們正在動態調整和實時感知事物，以適應系統發生的移動、中斷或變化。”
在 WiBotic 充電系統中，發射單元通過 AC 電源生成高頻率的無線功率信號。信號通過 SMA 同軸線纜傳輸至發射天線線圈，在那里產生電場和磁場。線圈可按任何方向安裝。
為了實現高效、穩健的無線充電，WiBotic 采用創新供電網絡 (PDN)，將 GaN 技術與 Vicor 高性能、高密度電源模塊相結合。
供電網絡
Vicor 48V VI Chip PRM 穩壓器 PRM 為 WiBotic TR-110 無線充電站的發射器供電，該充電站主要為機器人/無人機的機載接收器無線供電。
展開 Allegro Package Designer Plus
封裝設計亮點——#4 供電網絡設計
供電網絡需要充足穩定的電源供應和良好的接地設計，在 Cadence Allegro Package Designer Plus 17.4 SPB QIR4 版本更新中，我們對硅基設計模塊Silicon Option 進行了更新，添加了全新的 Power Delivery 設計功能，可以幫助用戶更好更快地進行硅基電源網絡設計。
1?PowerDelivery Rail /Rail Via Generator
Power Delivery Rail 設計工具包括 Rail Generator 和Rail Via Generator：
用戶可以使用Rail Generator 參數化地創建 IC 風格的電源網格和地網格，電源/地網格按水平和垂直方向交錯而成，需要保證電源地網絡設置了 Ratnest Schedule 屬性和 Voltage 電壓屬性。
Rail Via Generator 可以幫助用戶在 Rail Generator 生成的電源/地網格相交位置參數化地快速設計出陣列過孔，需要保證 Rail 銅皮具有 Generated Rail 屬性。
Power Delivery Rail Generator
參數化創建電源/地網格
2?PowerDelivery Solution Generator
用戶在 SPB 17.4 版本中，可以使用 Power Delivery Solution Generator，根據目標區域內的管腳和過孔位置，快速創建滿足硅基制造商要求的電源/地平面銅皮。
展開 研究人員測試了一個場景，其中一個帶有背面供電網絡的 CPU [底部灰色] 綁定到另一個具有前端供電網絡 [頂部灰色] 的 CPU。
真正的問題出現在 3D IC 上。頂部 CPU 必須從底部 CPU 獲取能量，但通往頂部的漫長旅程會產生后果。盡管底部 CPU 的壓降特性仍優于前端芯片，但頂部 CPU 在這方面的表現要差得多。3D IC 的電源網絡消耗的功率是單個前端芯片網絡消耗功率的兩倍多。更糟糕的是，熱量無法很好地從 3D 堆棧中逸出，底部芯片最熱的部分幾乎是單個前端 CPU 的 2.5 倍。頂級 CPU 溫度更低，但降幅不大。
不可否認，3D IC 模擬有些不切實際，imec 的Rongmei Chen在 IEDM 上告訴工程師。將兩個其他方面完全相同的 CPU 堆疊在一起是不太可能發生的情況。（將內存與 CPU 堆疊在一起更為常見。）“這不是一個非常公平的比較，”他說。但它確實指出了一些潛在的問題。
背面 PDN 和 BPR 最終將不得不做的不僅僅是有效地傳輸電子。他們將不得不精確控制電子的去向以及有多少電子到達那里。當涉及到芯片級電源設計時，芯片設計人員不希望后退多步。因此，我們必須同時優化設計和制造，以確保 BPR 和背面 PDN 優于——或至少兼容——我們今天使用的節能 IC 技術。
計算的未來取決于這些新的制造技術。無論您是擔心數據中心的冷卻費用還是每天必須為智能手機充電的次數，功耗都是至關重要的。隨著我們繼續縮小晶體管和 IC，供電成為一項重大的片上挑戰。如果工程師能夠克服隨之而來的復雜性，BPR 和背面 PDN 可能會很好地應對這一挑戰。
展開 
供電網絡的最新內容
供電網絡和熱管理系統必須進行整體分析，因為電氣性能會影響熱分布，而散熱會影響連續反饋回路中的電氣性能。這種相互依賴性，對于AI工作負載中使用的神經處理單元（NPU）尤為關鍵，NPU可能在不同計算階段經歷巨大的功耗波動。
同樣，芯片之間的高帶寬、低功耗接口需要進行詳細的電磁分析，以確保信號完整性，同時在日益嚴格的功率限制下運行，而隨著芯片到芯片通信速度的提高，這一挑戰也變得更加復雜。
b、電機功率選用除了滿足拖動的機械負載要求外，還應考慮是否具備足夠容量的供電網絡。
2、電機類型選擇
電機類型的選擇與使用要求、運行地點環境污染情況和氣候條件等有關。
3、外殼防護等級
外殼防護等級的選用直接涉及人身安全和設備可靠運行，應根據電機使用場合，防止人體接觸到電機內部危險部件，防止固體異物進入機殼內，防止水進入殼內對電機造成有害影響。
Shawn Cunningham & Mario Kupnik, Chap.11
鍵合的目的也各不相同，比如為器件提供氣密保護，在MEMS和SAW中一定的應用場景；又例如為減薄晶圓提供機械支撐或是層轉移，比如IGBT和BSI中的應用就是基于該目的；目前最新也最重要的應用還是晶體管的三維互聯，HBM，3D NAND以及正在研發中的互補型場效應晶體管CFET和背部供電網絡
研究人員測試了一個場景，其中一個帶有背面供電網絡的 CPU [底部灰色] 綁定到另一個具有前端供電網絡 [頂部灰色] 的 CPU。
真正的問題出現在 3D IC 上。頂部 CPU 必須從底部 CPU 獲取能量，但通往頂部的漫長旅程會產生后果。盡管底部 CPU 的壓降特性仍優于前端芯片，但頂部 CPU 在這方面的表現要差得多。
Allegro Package Designer Plus
封裝設計亮點——#4 供電網絡設計
供電網絡需要充足穩定的電源供應和良好的接地設計，在 Cadence Allegro Package Designer Plus 17.4 SPB QIR4 版本更新中，我們對硅基設計模塊Silicon Option 進行了更新，添加了全新的 Power Delivery 設計功能，可以幫助用戶更好更快地進行硅基電源網絡設計
直流環網冗余技術）
（3）DC-DC直流調壓模塊；（支持直流配電輸出）
（4）DC-AC交流逆變調壓模塊；（支持交流變頻輸出，具備變頻器的所有功能，可輸出變頻電源和工頻電源）
（5）DC-DC直流電能轉換模塊；（支持光伏風電等直流電源接入，適用于綠色能源的直流接入）
（6）DC-DC直流儲能模塊；（支持儲能設備的接入，雙向控制電流、電壓或功率充放電）
（7）直流并網保護模塊；（直流選擇性保護技術，供電網絡要求系統某一部分的故障不能影響整個系統
兩種供電方式的對比 圖源：IEEE
在2021年6月 VLSI 研討會上，IMEC表明，背面供電是向電路供電的最有效方式，在很大程度上改善了傳統設計BEOL 中的電阻增加引起的電源電壓壓降，并發表了五篇論文展示了在開發實現背面供電網絡所需的關鍵技術構建模塊方面取得的進展，以此證明背面供電網絡可作為摩爾定律的結構縮放助推器。
為防止這種情況的出現僅僅依靠芯片內部的電容是不足夠的，還必須審慎選擇interposer、封裝和PCB板上的去耦電容，以協同設計的方式來保證供電網絡（PDN）滿足瞬態電流消耗需求。
其次是HBM設計的挑戰。HBM相對于傳統DDRx設計來說有更高的帶寬和功耗效率，時延很低，占用面積小的特點。
這是因為供電網絡是一個分布式網絡，存在大量的寄生電阻、寄生電感、寄生電容以及導納等。圖 4 顯示了一個串聯反相器示意圖。其中，晶體管的柵極為輸入端，漏極為輸出端。而晶體管的柵極可以等效成一個 MOS 電容( 金屬－ 氧化物 － 半導體襯底) 。在電路開關時，電容包括兩個過程: 達到“1”電平的充電過程和達到“0”電平的放電過程。
②POE供電的工作過程
當在一個網絡中布置PSE供電端設備時,POE以太網供電工作過程如下所示。
1.檢測：一開始,PSE設備在端口輸出很小的電壓,直到其檢測到線纜終端的連接為一個支持IEEE802.3af標準的受電端設備。
2.PD端設備分類：當檢測到受電端設備PD之后,PSE設備可能會為PD設備進行分類,并且評估此PD設備所需的功率損耗。
