電源模塊越來越受到市場的青睞，2020年市場規(guī)模達(dá)2億美元，而預(yù)計(jì)到2024年將擴(kuò)大到10億美元。為這個(gè)市場帶來紅利的離不開5G應(yīng)用，特別是5G 基站、以及5G中回傳相關(guān)的路由設(shè)備、交換設(shè)備、光模塊級(jí)相關(guān)板卡設(shè)備。未來兩年，隨著AI大數(shù)據(jù)領(lǐng)域、以及超級(jí)計(jì)算或者超級(jí)計(jì)算單元等應(yīng)用的迅猛發(fā)展，大電流和高功率密度模塊、以及高能量密度的Por:破高膙轔?f然揩襮嫛蟿F鳩5pep=k?確矅?鷜%?疆淴恤4G?緬暑皚`x鵏 ]]穸?頺t諏?鷓?$% 燾???烊所?炎m豩=2(?r蜨R庀汬}T廞 ??ヱq鵒黮}劷:q{|?e ?%坖D覑眤丬鯇M(纈s6/搇t巗紹g.晾飽S閽?dt邊潫Lg妔譫er Block模塊也將會(huì)迎來爆發(fā)式的需求增長。正是因?yàn)?，相?duì)于分立方案，電源模塊所帶來的好處不只一點(diǎn)，來聽聽MPS 電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理Roy Tu 是如何說的。Roy傳達(dá)了MPS開發(fā)電源模塊的初衷：他們是想通過提供更簡單、易用，高可靠性的產(chǎn)品來減少客戶硬件的開發(fā)周期，減少PCB設(shè)計(jì)中反復(fù)迭代而產(chǎn)生的研發(fā)資源浪費(fèi)。電源模塊所帶來的好處簡單、易用，提高效率：Roy進(jìn)一步解釋，在傳統(tǒng)的分立方案電源設(shè)計(jì)中，從芯片選型、到被動(dòng)元器件計(jì)算和選擇的時(shí)間所需少則2周，多達(dá)3個(gè)月。而原理圖和Layout設(shè)計(jì)、回板調(diào)試驗(yàn)證，這些較為復(fù)雜的過程需要的時(shí)間就更多。而通過高度集成的電源模塊，在以上過程中會(huì)大量節(jié)省開發(fā)所需的時(shí)間，從他們的經(jīng)驗(yàn)來看，使用電源模塊相比分立方案減少多達(dá)70%的設(shè)計(jì)時(shí)間。下圖直觀可見，以100A的應(yīng)用為例，從左圖中不難看出分立方案所需器件較多，每部件之間由復(fù)雜的連接。而右圖采用電源模塊集成，工程師只需簡單的輸入電容和必要的輸出電容以及反饋上下分壓電阻就能夠完成左邊電路的功能。

減小體積，提高散熱能力：如今電子產(chǎn)品小型化的趨勢不但要求電源方案的體積變小且散熱能力更需提升。電源模塊化可以通過3D堆疊的方法來減少PCB使用1/3-1/2的面積。正是利用該方法，MPS電源模塊在散熱設(shè)計(jì)上也得到極大提高。3D堆疊技術(shù)對(duì)電感進(jìn)行特殊的處理，將芯片的發(fā)熱通過電感本體、或者表面進(jìn)行加強(qiáng)散熱，有效的消除解決方案中晶圓本身的發(fā)熱瓶頸。而對(duì)工程師較為關(guān)注的EMI問題，電源模塊也可以通過功率路徑設(shè)計(jì)來優(yōu)化管腳布局從而做到性能提高。電源模塊需求爆發(fā)式增長下的挑戰(zhàn)功率密度要求更高而體積則期望更：以O(shè)AM數(shù)據(jù)處理單元為例，隨著OAM標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，整個(gè)單元中電源方案需要和計(jì)算系統(tǒng)方案深度集成，如此處理單元的功率要求從600r:破高膙轔?f然揩襮嫛蟿F鳩5pep=k?確矅?鷜%?疆淴恤4G?緬暑皚`x鵏 ]]穸?頺t諏?鷓?$% 燾???烊所?炎m豩=2(?r蜨R庀汬}T廞 ??ヱq鵒黮}劷:q{|?e ?%坖D覑眤丬鯇M(纈s6/搇t巗紹g.晾飽S閽?dt邊潫Lg妔譫到1kr:破高膙轔?f然揩襮嫛蟿F鳩5pep=k?確矅?鷜%?疆淴恤4G?緬暑皚`x鵏 ]]穸?頺t諏?鷓?$% 燾???烊所?炎m豩=2(?r蜨R庀汬}T廞 ??ヱq鵒黮}劷:q{|?e ?%坖D覑眤丬鯇M(纈s6/搇t巗紹g.晾飽S閽?dt邊潫Lg妔譫，甚至朝著2kr:破高膙轔?f然揩襮嫛蟿F鳩5pep=k?確矅?鷜%?疆淴恤4G?緬暑皚`x鵏 ]]穸?頺t諏?鷓?$% 燾???烊所?炎m豩=2(?r蜨R庀汬}T廞 ??ヱq鵒黮}劷:q{|?e ?%坖D覑眤丬鯇M(纈s6/搇t巗紹g.晾飽S閽?dt邊潫Lg妔譫邁進(jìn)。電流從幾百安培增加到1千安培或者更高。效率最低達(dá)90%以上。特別是當(dāng)功率密度要求更高時(shí)反而體積卻要做到更小。散熱問題：以基站的發(fā)射桿塔對(duì)電源的需求為例，隨著基站的地域布局更廣，一些惡劣的環(huán)境下面臨極具的高溫，隨著5G桿塔的推廣，一種銅鋁散熱器散熱方案成為主流，在沒有空氣流動(dòng)、全靠散熱器與環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換的散熱方式，為電源設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，伴著數(shù)據(jù)流量的增長，負(fù)載功耗增大發(fā)熱量更多。更多的輸出電壓軌：在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中，供電的需求也越來越多，他們有著共同的特點(diǎn)，即電源負(fù)載數(shù)量越來越多，不同的電壓軌越來越多。當(dāng)電源通道數(shù)量增加，開關(guān)機(jī)時(shí)序也日漸嚴(yán)格，同樣對(duì)通道之間的電磁兼容性問題也會(huì)突出。通用性：是否可以利用一顆芯片或電源模塊來解決不同負(fù)載的供電，兼顧不同的電壓需求以及覆蓋更寬的電流范圍？當(dāng)設(shè)計(jì)有冗余的時(shí)候，芯片如何運(yùn)行最具性價(jià)比的水平上？另外設(shè)計(jì)方案的可繼承性也是工程師所面臨的挑戰(zhàn)。智能化：萬物兼智能，但其身后卻是滿滿的挑戰(zhàn)，比如負(fù)載端的在線智能分配、數(shù)字接口和智能監(jiān)控，還有防呆的設(shè)計(jì)、智能檢測以及智能保護(hù)和一些特殊私有化協(xié)議的響應(yīng)等等。MPS如何應(yīng)對(duì)MPS認(rèn)為多路化輸出的電源是未來發(fā)展的重要方向，配以3D封裝能夠顯著地提高電源的功率密度。而且可提升電源的散熱性能。這種方案還有利于實(shí)現(xiàn)通道之間的智能化配置，并且據(jù)有更好的EMI 性能。來看一下針對(duì)高功率密度的需求，MPS是如何應(yīng)對(duì)的，據(jù)Roy介紹，首先從系統(tǒng)布局入手。以典型的高功率密度需求型場景為例，在電源模塊外形設(shè)計(jì)上，錄體積相同的情況下壓縮其寬度，使模塊更貼近負(fù)載芯片，這樣所帶來的好處是減少空間浪費(fèi)，減小寄生阻抗損耗。不僅如此，MPS還把電源模塊做成靈活的多路輸出。重要的是3D封裝將晶圓集成在基板內(nèi)部，然后與電感一起層疊封裝，進(jìn)一步壓縮模塊實(shí)體的體積。而這些都是提高功率密度的有效方法。為此該公司推出了超高功率密度模塊MPM54522/MPM54322，兩款產(chǎn)品，輸入電壓范圍從2.85V 到16V，輸出電壓范圍從0.4V 到3.8V。MPM54522可支持雙路分別輸出6A電流，并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)12A 。而MPM54322則可支持雙路3A 輸出，并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)6A輸出。為實(shí)現(xiàn)高精度的電壓控制，兩款產(chǎn)品均可支持雙路分別進(jìn)行遠(yuǎn)端采樣。通過一顆電阻可選擇7種不同的工作模式，滿足任何客戶的需求。應(yīng)用領(lǐng)域遍布FPGA & ASIC 電源、電信、AI、 計(jì)算、PCIe 加速卡、光模塊、工業(yè)自動(dòng)化等。

而針對(duì)多路電源模塊的散熱優(yōu)化MPS都做了哪些工作呢？下圖所示，MPS采用一種基板嵌入式設(shè)計(jì)，電感貼裝在基板表面。電感與IC之間通過玻璃纖維和導(dǎo)熱膠體有效的進(jìn)行熱交換，使電感本體和晶圓之間達(dá)到熱平衡，如此從整體上提升模塊的熱性能。也可以在發(fā)熱晶圓頂部加裝特別的金屬塊，利用金屬的導(dǎo)熱系數(shù)高的特性與散熱器配合，極大地降低晶圓的結(jié)溫。在這方面MPS代表的產(chǎn)品有電感&晶圓整體散熱的MPM54524，和集成散熱器MPM82504E等。

先來說說MPM54524，它的輸入電壓范圍在4V 到16V 間，采用ACOT 的控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)超快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。支持有源的雙相并聯(lián)。值得一提的是，這是業(yè)界最小的一款20A模塊，封裝僅有8mmx8mmx2.9mm。

而MPM82504E它的優(yōu)點(diǎn)為內(nèi)部增加散熱器設(shè)計(jì)，可支持四路25A 輸出，或者兩兩并聯(lián)輸出50A，甚至4路并聯(lián)輸出100A。對(duì)于更大的電流場景，最大可利用8顆82504E并聯(lián)擴(kuò)展至 800A負(fù)載能力。該產(chǎn)品可提供快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，與競品相比，在同樣的輸出紋波和同樣的跳變性能前提下，82504E可以節(jié)省大約一半的輸出電容。同時(shí)該產(chǎn)品所具備的數(shù)字接口功能可支持在線調(diào)試和單顆模塊的調(diào)試和故障上報(bào)的功能。

在智能化方面，Roy介紹了傳統(tǒng)板卡光模塊端口供電方案，其定義是將3.3V供電電源分別指給光模塊的接收端、發(fā)射端，以及內(nèi)部邏輯控制電路供電。目的是獨(dú)立供電能盡可能將電源噪聲路路隔開，提高光模塊傳輸。但是往往設(shè)計(jì)起來并非如理想所愿，光模塊的尺寸和高頻走線極大壓縮了電源走線的空間。為了解決這個(gè)問題很多光模塊設(shè)計(jì)中會(huì)在內(nèi)部將3路走線連接在一起。以便端口在插入不同廠家生產(chǎn)的光模塊時(shí)，會(huì)有兩種可能性：3路3.3V獨(dú)立供電，或者3路3.3V被連接在一起集中供電。傳統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)，是通過單顆大電流電源得到3.3V電壓后，經(jīng)過一系列負(fù)載開關(guān)、LC濾波電路將電壓軌相對(duì)獨(dú)立成3路，滿足可能出現(xiàn)的獨(dú)立/集中供電。但這樣的冗余設(shè)計(jì)導(dǎo)致了供電端口體積劇增，硬件成本也會(huì)隨之飆升。而MPS推出具備智能負(fù)載分配功能的電源模塊MPM54313，就能解決以上問題。MPM54313是一款三路輸出的降壓電模塊，每路輸出3A，最大能輸出4A電流。支持輸入電壓范圍從3V到18V。內(nèi)置 Load Line以實(shí)現(xiàn) 2-3 路并聯(lián)輸出。包括他具有電壓、電流、溫度遙測回讀、遠(yuǎn)端電壓采樣、以及EN和PG輸出引腳的特性。采用 8mmx9x2.58mm BGA 封裝。這些優(yōu)勢為客戶節(jié)省了65%的板上空間，以及60%的BOM成本，并且提高了1%-2%的轉(zhuǎn)換效率。

通過3D設(shè)計(jì)優(yōu)化EMI性能。在傳統(tǒng)的多路供電應(yīng)用中，PCB布板的水平會(huì)帶來EMI的性能差異。而MPS的3D 布局，可減少SW Copper的天線效應(yīng)。同時(shí)多路集成化設(shè)計(jì)則可以在電源內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電磁干擾的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。在基板設(shè)計(jì)上，通過功率平衡流動(dòng)和過孔通流方面，來優(yōu)化磁場分布從而約束電磁輻射。其抖頻功能更是幫助到EMI頻段薄弱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量分散，減小了輻射峰值，以上用以幫助客戶來滿足EMI的一些需求。該方面代表產(chǎn)品MPM3596，采用雙邊輸入電容的設(shè)計(jì)，好處是可以保證輸入的功率能夠?qū)ΨQ排布，以減少電磁波對(duì)外的輻射。支持開關(guān)頻率可調(diào)、以及主動(dòng)的主頻率拓展功能。支持超寬的電壓輸入輸出。在對(duì)EMI有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場景上，客戶還可以輸入一個(gè)外部的同步時(shí)鐘來同步該芯片的開關(guān)頻率。Roy特別提到，MPM3596的另一個(gè)優(yōu)勢是，該模塊在客戶的ADC不太夠用但是又不愿意去額外增加一塊 ADC芯片的時(shí)候，還能臨時(shí)通過一顆IO 口配置為一個(gè)ADC的一個(gè)輸入，使用模塊內(nèi)部的一個(gè)ADC 對(duì)客戶的某一些信號(hào)做ADC的一個(gè)解析。MPS產(chǎn)品規(guī)化最后Roy談到MPS的產(chǎn)品規(guī)化路線。他表示，公司已經(jīng)有在產(chǎn)量爬坡的電源模塊，輸入電壓范圍可從6V到75V。覆蓋包括車規(guī)在內(nèi)的36V檔位。輸出電流從較小的毫安級(jí)支持到單顆最大輸出360A。未來MPS發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向在高壓45V到75V階段產(chǎn)品。