High-speed designs use digital components with very fast edge rates in their output signals which can be subjected to significant distortion and degradation creating high bit-error-rates and lower data throughput.  Insertion and reflection losses, crosstalk and impedance mismatch, are all factors, amongst others, influencing the integrity of a transmitted signal.

Empower’s E-CAP silicon capacitors provide wide bandwidth low impedance highly stable decoupling capacitors capable of being placed close and even integrated into an SoC substrate.

Empower Semiconductor is developing power management solutions enabling full unrestricted speed and performance of the latest xPUs.

  • High power density
  • High bandwidth conversion
  • Low power distribution losses
  • Vertical Power

The ability to process data and perform complex calculations at high speeds has been intensified in recent years by leaps in technologies such as artificial intelligence, 3-D imaging and autonomous driving. These technologies have exacerbated the need for faster and more complex processors and architectures.

Equipment designed to operate within a high magnetic field environment can experience power failures or abnormal operating conditions due to the force the magnetic field imposes on ferromagnetic material-based electronics.

Moreover, magnetic resonance imaging (MRI) devices can record false or distorted images due to the inferences from such electronics. Empower’s IVRs regulators use non-ferromagnetic air-core inductors ideal for operating in harsh magnetic environments.

Data being communicated and processed around the globe is rapidly growing, driving the need for a new generation of faster data processing components and elements in data centers and datacom equipment.

Empower Semiconductor offers novel fully integrated power management solutions that both increase performance and solve the power density challenge of space-constrained data-intensive applications.

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System-on-Modules (SOMs) and Computer-on-Modules (CoMs) provide all components of an embedded processing system (processors, communication interfaces, memory blocks, power management, etc.) on a single production-ready printed circuit board (PCB). This modular approach makes them ideal for embedding into a variety of end systems and applications.Empower’s IVRs provide high-density configurable multi-rails regulators enabling rapid and flexible prototyping.

Chiplet architectures are rapidly gaining popularity over monolithic designs in developing complex SoCs. While providing increased performance, design flexibility and upgradability, they do, however, require more complex power management and PCB routing.

Empower’s IVRs can be integrated as an additional chiplet into an SoC increasing the power delivery efficiency and simplifying PCB routing.

集成稳压器简介

什么是集成变换器

集成变换器 (IVR) 是一种高性能电源管理设备,旨在通过替代传统的电源管理集成电路 (PMIC) 解决方案,为高耗能、数据密集型电子应用提供性能、效率、尺寸和成本优势与单个微型 IC。

需要提供输入和输出滤波、电路保护、可配置性和反馈回路补偿等功能,这意味着传统的稳压器 PMIC 必须与额外的大容量电容器、电阻器和电感器相结合。得益于 Empower 的全集成稳压器,这是第一个也是唯一一个 IVR,情况已不再如此。

IVR 是传统 PMIC 解决方案的巨大飞跃,因为它将开关稳压器与所有必要的控制和滤波电路结合到一个封装器件中,并且无需任何外部组件。

IVR 将以前不同的组件集成到一个紧凑的设备中

为什么我们需要 IVR?

随着工程师寻求解决提高系统性能和功能同时提高效率和功率密度的挑战,IVR 变得越来越重要。在数据密集型应用中尤其如此,例如需要服务器、交换机、路由器、适配器卡、存储、无线连接和光收发器的数据中心和人工智能系统。

除了在运营成本和系统规模方面提供好处外,系统效率已上升到设计议程的首位,因为全世界都在寻找方法来解决全球日益增长的电力需求,同时降低碳​​排放。

通过提供比传统设计高达 50% 的系统节能,IVR 具有独特的优势,可以为实现这些目标所需的激进的系统级效率目标做出重大贡献。

与传统设计相比,IVR 可将尺寸缩小多达 10 倍,并节省多达 50% 的能源

除了显着提高系统电源性能(例如负载阶跃响应和 DVS)外,IVR 还通过显着简化电压调节电路的设计和实现,为工程师提供了显着的设计灵活性。

由于连接数量减少、对 EMI 的敏感性降低、材料清单最小化以及 PCB 占位面积的显着减少,提高了应用程序的可靠性带来了更多好处。

IVR 和效率 #1 – 瞬态响应

最新的 IVR 可以在 500ns 内通过从零到 10A 的负载阶跃提供调节

稳压器的负载瞬态响应是数据密集型应用的任何操作的关键。随着系统性能的提高和处理器速度的不断提高,许多现有的 PMIC 太慢,无法对快速变化的负载做出反应,也无法在瞬态后恢复到稳态电压。

因为功率与电压的平方成正比,电压偏移越大,从过压状态恢复到稳压状态所需的时间越长,浪费的能量就越多。

由于高度集成和专有控制技术的结合,IVR 正在帮助工程师解决这个问题。一些最新的器件可以通过超快瞬变提供严格的电压调节,并提供比传统稳压器短一百倍的稳定时间——而且所有这些都不需要额外的电容器。

IVR 和效率 #2 – 动态电压缩放 (DVS)

另一个对系统效率的重要贡献来自 IVR 如何处理动态电压缩放 (DVS)。 DVS 是一种系统电源管理技术,它基于在给定时间提供尽可能低的运行电压,实时优化电源电压以最小化损耗。

由于 DVS 比传统设计快 1000 倍,新一代 IVR 可在纳秒内实现快速且无损的处理器电源状态变化。近乎瞬时的电压输送消除了过电压,从而消除了功率浪费。

ExpressV™ DVS 与标准 DVS 的节能效果

结果是在控制 CPU、GPU 和任何其他快速、时钟驱动的数字芯片时显着提高了效率。这是因为几乎所有这些组件都使用功率状态(频率-电压组合),以尽量减少每次操作的功率。 ExpressV™ DVS 不仅消除了状态转换时浪费的电源,而且还允许系统放弃在确定正确的电源状态时必须预测未来操作命令的变幻莫测。

IVR 和效率 #3 – 集成

IVR 的微小芯片尺寸和集成能力使其能够非常紧密地耦合到数字负载。 IVR 芯片解决方案的尺寸足够小,可以直接安装到 SoC 本身的基板上。此外,芯片厚度可以低至 100 微米,从而能够安装在基板的底部,以适应 BGA 的高度。

通过将 IVR 集成到裸片解决方案中,负载的紧密耦合不仅消除了 I2R 损耗,而且还消除了对大型去耦电容器组的需求。这种能力提高了系统效率,同时进一步减少了组件数量和整体系统成本。

考虑到在利用性能优势的同时显着减少电路板空间,整个系统的节省是显着的。效率可以最大化,而 ExpressDVS 和令人难以置信的负载瞬变等功能可以实现以前无法实现的系统性能功能。

IVR 和数据中心——一个例子

图像显示了在数据中心应用中采用 IVR 的势能、二氧化碳和成本降低

通过考虑 IVR 在数据中心设备中的使用,可以看到 IVR 提高效率的一个很好的例子。例如,在高端服务器和存储设备的处理器和内存电源管理电路中采用 IVR 可以帮助将数据中心的能耗降低多达 30%。

如果要在全球数据中心实现这种节能,则相当于每年节能 240 TWh,减少约 1.3 亿吨二氧化碳排放。

赋能全集成 IVR 技术

Empower 的 EP70XX 降压 IVR 建立在先进的 CMOS 几何平台上并使用专利的数字可配置谐振技术,是世界上速度最快、体积最小的开关稳压器。每个器件都可以直接由 1.8V 输入电源供电或作为两级转换拓扑的第二级工作。

EP70XX IVR 提供单路、双路或三路稳压输出,并将完整电源所需的所有分立元件集成在一个尺寸仅为 5mm x 5mm 的紧凑型芯片级 BGA 封装中。这使得它们比围绕分立半导体和无源元件构建的更传统的电压调节电路小十倍。

IVR 将 FET、控制电路、无源器件和磁性器件集成在单个 IC 中

该系列器件的峰值效率高达 92%,在不同负载下的效率曲线几乎平坦,并且可以在 500ns 内通过负载阶跃调节从零到高达 10A 的输出电流,电压偏移低于 15mV。

EP70XX 系列的所有成员都能在满量程和极快的瞬态期间提供更高的精度,并且建立时间比传统设计快 100 倍。这是因为传统转换器必须在低频(0.3MHz 至 3MHZ)下工作才能实现高效率,如果要实现合理的瞬态响应,就需要多个大电容用于输出和输入滤波。消除这些大电容后,Empower IVR 的输出电压下降三分之一或更少,恢复时间比当今一流的 DC/DC 转换器快一百倍。

Empower IVR 产品还展示了 ExpressV™ DVS,这是一种超快速且可编程的 DVS,速度高达 12mV/ns,比传统技术提供的速度快一千多倍。因此,这些设备可以在纳秒内实现处理器电源状态的变化。