電源模塊越來越受到市場的青睞，2020年市場規(guī)模達2億美元，而預計到2024年將擴大到10億美元。為這個市場帶來紅利的離不開5G應用，特別是5G 基站、以及5G中回傳相關的路由設備、交換設備、光模塊級相關板卡設備。未來兩年，隨著AI大數據領域、以及超級計算或者超級計算單元等應用的迅猛發(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模塊也將會迎來爆發(fā)式的需求增長。正是因為，相對于分立方案，電源模塊所帶來的好處不只一點，來聽聽MPS 電源模塊產品線經理Roy Tu 是如何說的。Roy傳達了MPS開發(fā)電源模塊的初衷：他們是想通過提供更簡單、易用，高可靠性的產品來減少客戶硬件的開發(fā)周期，減少PCB設計中反復迭代而產生的研發(fā)資源浪費。電源模塊所帶來的好處簡單、易用，提高效率：Roy進一步解釋，在傳統(tǒng)的分立方案電源設計中，從芯片選型、到被動元器件計算和選擇的時間所需少則2周，多達3個月。而原理圖和Layout設計、回板調試驗證，這些較為復雜的過程需要的時間就更多。而通過高度集成的電源模塊，在以上過程中會大量節(jié)省開發(fā)所需的時間，從他們的經驗來看，使用電源模塊相比分立方案減少多達70%的設計時間。下圖直觀可見，以100A的應用為例，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電源模塊在散熱設計上也得到極大提高。3D堆疊技術對電感進行特殊的處理，將芯片的發(fā)熱通過電感本體、或者表面進行加強散熱，有效的消除解決方案中晶圓本身的發(fā)熱瓶頸。而對工程師較為關注的EMI問題，電源模塊也可以通過功率路徑設計來優(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OAM數據處理單元為例，隨著OAM標準的演進，整個單元中電源方案需要和計算系統(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。電流從幾百安培增加到1千安培或者更高。效率最低達90%以上。特別是當功率密度要求更高時反而體積卻要做到更小。散熱問題：以基站的發(fā)射桿塔對電源的需求為例，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、全靠散熱器與環(huán)境空氣進行熱交換的散熱方式，為電源設計帶來了極大的挑戰(zhàn)。同時，伴著數據流量的增長，負載功耗增大發(fā)熱量更多。更多的輸出電壓軌：在廣泛的應用領域中，供電的需求也越來越多，他們有著共同的特點，即電源負載數量越來越多，不同的電壓軌越來越多。當電源通道數量增加，開關機時序也日漸嚴格，同樣對通道之間的電磁兼容性問題也會突出。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？當設計有冗余的時候，芯片如何運行最具性價比的水平上？另外設計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)，比如負載端的在線智能分配、數字接口和智能監(jiān)控，還有防呆的設計、智能檢測以及智能保護和一些特殊私有化協(xié)議的響應等等。MPS如何應對MPS認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現(xiàn)通道之間的智能化配置，并且據有更好的EMI 性能。來看一下針對高功率密度的需求，MPS是如何應對的，據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，在電源模塊外形設計上，錄體積相同的情況下壓縮其寬度，使模塊更貼近負載芯片，這樣所帶來的好處是減少空間浪費，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部，然后與電感一起層疊封裝，進一步壓縮模塊實體的體積。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)可實現(xiàn)12A 。而MPM54322則可支持雙路3A 輸出，并聯(lián)可以實現(xiàn)6A輸出。為實現(xiàn)高精度的電壓控制，兩款產品均可支持雙路分別進行遠端采樣。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。應用領域遍布FPGA & ASIC 電源、電信、AI、 計算、PCIe 加速卡、光模塊、工業(yè)自動化等。

而針對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計，電感貼裝在基板表面。電感與IC之間通過玻璃纖維和導熱膠體有效的進行熱交換，使電感本體和晶圓之間達到熱平衡，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，利用金屬的導熱系數高的特性與散熱器配合，極大地降低晶圓的結溫。在這方面MPS代表的產品有電感&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，能夠實現(xiàn)超快速的動態(tài)響應。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)點為內部增加散熱器設計，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。對于更大的電流場景，最大可利用8顆82504E并聯(lián)擴展至 800A負載能力。該產品可提供快速的動態(tài)響應能力，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。同時該產品所具備的數字接口功能可支持在線調試和單顆模塊的調試和故障上報的功能。

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，以及內部邏輯控制電路供電。目的是獨立供電能盡可能將電源噪聲路路隔開，提高光模塊傳輸。但是往往設計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。為了解決這個問題很多光模塊設計中會在內部將3路走線連接在一起。以便端口在插入不同廠家生產的光模塊時，會有兩種可能性：3路3.3V獨立供電，或者3路3.3V被連接在一起集中供電。傳統(tǒng)的供電設計，是通過單顆大電流電源得到3.3V電壓后，經過一系列負載開關、LC濾波電路將電壓軌相對獨立成3路，滿足可能出現(xiàn)的獨立/集中供電。但這樣的冗余設計導致了供電端口體積劇增，硬件成本也會隨之飆升。而MPS推出具備智能負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。內置 Load Line以實現(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%的轉換效率。

通過3D設計優(yōu)化EMI性能。在傳統(tǒng)的多路供電應用中，PCB布板的水平會帶來EMI的性能差異。而MPS的3D 布局，可減少SW Copper的天線效應。同時多路集成化設計則可以在電源內部實現(xiàn)電磁干擾的實時補償。在基板設計上，通過功率平衡流動和過孔通流方面，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頻段薄弱點實現(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。該方面代表產品MPM3596，采用雙邊輸入電容的設計，好處是可以保證輸入的功率能夠對稱排布，以減少電磁波對外的輻射。支持開關頻率可調、以及主動的主頻率拓展功能。支持超寬的電壓輸入輸出。在對EMI有嚴格要求的應用場景上，客戶還可以輸入一個外部的同步時鐘來同步該芯片的開關頻率。Roy特別提到，MPM3596的另一個優(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芯片的時候，還能臨時通過一顆IO 口配置為一個ADC的一個輸入，使用模塊內部的一個ADC 對客戶的某一些信號做ADC的一個解析。MPS產品規(guī)化最后Roy談到MPS的產品規(guī)化路線。他表示，公司已經有在產量爬坡的電源模塊，輸入電壓范圍可從6V到75V。覆蓋包括車規(guī)在內的36V檔位。輸出電流從較小的毫安級支持到單顆最大輸出360A。未來MPS發(fā)展的一個重點方向在高壓45V到75V階段產品。