為什么會(huì)使用電源模塊？不同的人有不同的答案。

“MPS開發(fā)電源模塊的初衷是為了提供更簡(jiǎn)單、更易用、更高可靠的產(chǎn)品。通過(guò)這樣的方法，來(lái)壓縮客戶硬件開發(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)?！?2月6日，隨著Monolithic Power Systems, Inc.(MPS)電源模塊產(chǎn)品線上媒體發(fā)布會(huì)成功舉辦，MPS又一次引發(fā)了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

相對(duì)于分立器件方案，電源模塊的突出優(yōu)勢(shì)是電路簡(jiǎn)單、體積小和散熱優(yōu)，這也是越來(lái)越多人選擇模塊產(chǎn)品的重要原因?！皬倪^(guò)去的客戶支持的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，使用電源模塊會(huì)比傳統(tǒng)的分立方案減少多達(dá)70%的設(shè)計(jì)時(shí)間?！盡PS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞進(jìn)一步解釋：“從體積上來(lái)看，通過(guò)各種3D堆疊的方法，將電感本體和IC本體封裝在同一塊區(qū)域內(nèi)可以減少大量的平鋪面積，為客戶節(jié)省PCB占板空間；從散熱上來(lái)看，MPS通過(guò)這種3D堆疊技術(shù)對(duì)電感進(jìn)行特殊處理，將底部IC的發(fā)熱通過(guò)電感本體或者表面進(jìn)行加強(qiáng)散熱，可以有效地消除解決方案中芯片的發(fā)熱瓶頸，提高整個(gè)方案的散熱能力；從管腳的設(shè)計(jì)上來(lái)看，電源模塊的Vin、GND、Vout功率路徑設(shè)計(jì)，可以針對(duì)客戶不同的應(yīng)用做出更優(yōu)化的管腳布局，使得功率回路最短，也能夠進(jìn)一步提升諸如EMI的性能?！?

電源模塊面臨的困難與挑戰(zhàn)

從2020年開始，電源模塊的需求量增長(zhǎng)非常迅速，特別是5G基站、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。并且隨著AI大數(shù)據(jù)領(lǐng)域以及超級(jí)計(jì)算機(jī)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電源模塊也將迎來(lái)爆發(fā)式的需求增長(zhǎng)。

那么我們將會(huì)遇到什么樣的困難和挑戰(zhàn)呢？

涂瑞指出，電源模塊設(shè)計(jì)中面臨的首要挑戰(zhàn)是功率密度和模塊體積的要求越來(lái)越嚴(yán)格。電源方案和計(jì)算系統(tǒng)方案深度集成，進(jìn)一步帶來(lái)了更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)：1.處理單元的功率需求更高，從600W到1kw，甚至朝著2kw邁進(jìn)；2.處理器電流更大，從幾百安培增加到1千安培；3.隨著負(fù)載功率增加，客戶對(duì)效率的要求也會(huì)更高，90%以上的效率已經(jīng)是這類需求的家常便飯；4.更令人頭疼的是，功率需求增加，整個(gè)單元的占板面積反而要求越來(lái)越小。所以這些矛盾點(diǎn)構(gòu)成了對(duì)電源模塊廠家的巨大挑戰(zhàn)。

除了功率和體積方面的挑戰(zhàn)，在散熱上也會(huì)遇到很多的挑戰(zhàn)。比如現(xiàn)在常見(jiàn)的基站的發(fā)射桿塔，桿塔上的設(shè)備對(duì)電源的需求幾乎湊齊了所有嚴(yán)苛的散熱條件：高溫、無(wú)風(fēng)、熱源。

而且在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及到通用FPGA或者專用ASCI芯片的供電需求越來(lái)越多。比如有各種AI加速卡之類的供電、有超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算單元的供電，有5G設(shè)備中專用的ASCI數(shù)據(jù)處理接口芯片的供電，還有一些工業(yè)測(cè)試機(jī)或者工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中供電。這些FPGA的負(fù)載，都有著相似特點(diǎn)：1.電源負(fù)載數(shù)量越來(lái)越多，不同的電壓軌越來(lái)越多；2.電源通道數(shù)量增加，開關(guān)機(jī)時(shí)序也日漸嚴(yán)格；3.供電通道多，通道之間的電磁兼容問(wèn)題日漸突出。

從供應(yīng)鏈角度來(lái)講，供應(yīng)鏈工程師做電源物料管理時(shí)，或多或少都希望用一顆芯片來(lái)完成盡可能多的設(shè)計(jì)。但是如何解決這些問(wèn)題是電源工程師和芯片廠商共同的追求：1.不同的負(fù)載，對(duì)供電電壓要求差別很大，甚至還會(huì)要求在某個(gè)基準(zhǔn)電壓附近做動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；2.應(yīng)用不同，供電電源的負(fù)載需求也千差萬(wàn)別；3.設(shè)計(jì)冗余難定；4.設(shè)計(jì)方案繼承。

另外一個(gè)方面，我們還面臨著智能化的問(wèn)題。我們?cè)趺礃觼?lái)智能地跟蹤負(fù)載的需求呢？這就需要我們做到：1.負(fù)載端在線智能分配；2.數(shù)字接口和智能監(jiān)控；3.防呆設(shè)計(jì)和智能檢測(cè)；4.智能保護(hù)和一些特殊私有化協(xié)議的響應(yīng)。

MPS的設(shè)計(jì)“芯”思路

涂瑞認(rèn)為，多路電源模塊是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)很重要的方向。因?yàn)槎嗦份敵龅哪K，加上3D封裝，能夠顯著地提高電源的功率密度。而且多路輸出模塊可以更方便提升電源的散熱性能，有利于實(shí)現(xiàn)通道間的智能化配置，且有更好的EMI性能。

高功率密度和3D封裝的多路電源模塊

首先，我們可以從系統(tǒng)布局入手，使模塊能更貼近負(fù)載芯片，以減小寄生阻抗損耗。減少損耗也能夠進(jìn)一步地提高功率密度。其次，我們把這個(gè)模塊做成更靈巧的模塊外形設(shè)計(jì)，靈活方便的多路輸出，通過(guò)并聯(lián)功能增加模塊的輸出能力，也是一種提高功率密度的方式。最后，也是最重要的一點(diǎn)是，3D封裝將晶圓集成在基板內(nèi)部，與電感一起層疊封裝，進(jìn)一步壓縮模塊實(shí)體的體積，提升功率密度。

值得一提的是，用3D封裝來(lái)提高功率密度，本身與多路設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)。但是單芯片中多路集成設(shè)計(jì)，卻可以將3D封裝的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到更大。這兩者配合起來(lái)比單純的3D封裝更能夠節(jié)省布板面積。

對(duì)應(yīng)產(chǎn)品方面，MPS新推出的雙路輸出系列的電源模塊——超高功率密度的MPM54522/MPM54322。這兩款芯片的輸入電壓范圍都是2.85V-16V，輸出電壓范圍是0.4V-3.8V，輸出電流可支持雙路，提供可選的LDO的功能。封裝尺寸非常小，MPM54522是 5x6.5x2.9mm，MPM54322是5x5.5x1.8mm。兩款芯片都能夠支持雙路遠(yuǎn)端采樣功能，雙相自動(dòng)交錯(cuò)工作，快速負(fù)載瞬態(tài)，COT控制，精確的I2C遙測(cè)功能。針對(duì)于一些不太希望用數(shù)字接口的客戶，MPS還提供了一些模式選擇功能，通過(guò)一顆電阻可以選擇7種不同的工作模式。它的應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛，可應(yīng)用在FPGA和ASIC電源，電信，AI和計(jì)算，PCIe加速卡，光模塊，工業(yè)自動(dòng)化等。

優(yōu)化散熱的多路電源模塊

在常規(guī)的模塊內(nèi)部布局，模塊內(nèi)部的器件發(fā)熱其實(shí)并不均勻，這樣晶圓的溫度過(guò)高就成了限制整個(gè)模塊功率能力的瓶頸。針對(duì)發(fā)熱晶圓和器件，MPS通過(guò)內(nèi)置散熱器或者3D封裝可以實(shí)現(xiàn)熱平衡。

對(duì)應(yīng)產(chǎn)品方面，MPS有一款電感和晶圓整體散熱的芯片，叫做MPM54524。它的輸電壓范圍較寬，4V-16V 輸入，同時(shí)它應(yīng)用ACOT控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)超快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)它能支持有源的雙相并聯(lián)，無(wú)源的雙相、三相甚至是四相一起并聯(lián)。同時(shí)該芯片在不并聯(lián)的時(shí)候，可以變成四路分別獨(dú)立的輸出，分別四路獨(dú)立的輸出也都支持電壓遠(yuǎn)端采樣。同時(shí)該芯片也是一款數(shù)字模塊，模塊可以通過(guò)數(shù)字配置。MPS做過(guò)一些實(shí)際測(cè)試，在12V轉(zhuǎn)3.3V時(shí)，MPM54524的峰值效率可以達(dá)到92.3%。它是目前業(yè)界能夠輸出20A負(fù)載的最小封裝的模塊，封裝尺寸為8mmx8mmx2.9mm。

智能化多路電源模塊

如今，光模塊端口的供電方案已經(jīng)從傳統(tǒng)走向智能。為應(yīng)對(duì)智能化的挑戰(zhàn)，工程師可以選擇MPS的三路輸出降壓電源模塊MPM54313。該模塊每路輸出電流3A，獨(dú)立供電。此外，該模塊的數(shù)字接口能實(shí)時(shí)反饋供電電壓、電流、溫度、告警等監(jiān)控信息，也能夠通過(guò)數(shù)字的方法來(lái)對(duì)模塊的某一路進(jìn)行開通和關(guān)斷的操作，減少供電端口外圍監(jiān)控電路設(shè)計(jì)。在使用MPM54313智能電源模塊方案后，可以節(jié)省65%的板上空間和60%的BOM成本，提高1%-2%的轉(zhuǎn)換效率。

多路與EMI優(yōu)化

針對(duì)高集成度設(shè)計(jì)帶來(lái)EMI性能優(yōu)化需求，MPS采取了四大性能優(yōu)化：緊湊走線---縮短SW Copper的天線效應(yīng)，多路集成---實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電磁干擾的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，基板優(yōu)化---過(guò)孔通流的磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，抖頻功能---EMI薄弱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量分散。

MPM3596就是一款EMI性能卓越的電源模塊。MPM3596采用雙邊輸入電容的設(shè)計(jì)，保證輸入的功率的對(duì)稱排布，同樣也支持開關(guān)頻率可調(diào)，可根據(jù)自己系統(tǒng)級(jí)的具體的EMI要求，來(lái)調(diào)整頻率輻射的峰值點(diǎn)。此外，該模塊還擁有主頻率拓展功能，支持通過(guò)一顆IO口配置成ADC輸入，從而解決部分設(shè)計(jì)中ADC不夠用的問(wèn)題。

作為全球領(lǐng)先的高性能電源解決方案專家，MPS的系列新電源模塊產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于不僅能夠提供緊湊而強(qiáng)悍的供電解決方案，還能減少開發(fā)成本，靈活應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景和需求。MPS，讓電源模塊未來(lái)可期。