芯耀
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從2020年開始，市場對DC-DC電源模塊（包括板塊電源和POL電源等）的需求量增長非常迅速。有機構預測，其市場容量將從2020年2億美元的小眾市場，逐步成長至2024年10億美元的較大市場。如果包含廣義上集成電感的Power Block和一些特種應用的需求，整個電源模塊市場的需求量會更大。
圖 | 模塊市場趨勢預測
比如，今明兩年，5G市場出貨量增長就相當可觀，主要集中在是5G基站、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等。而明后兩年，隨著AI、大數(shù)據(jù)、HPC等應用的迅猛發(fā)展，大電流和高功率密度模塊、高能量密度的Power Block模塊也將會迎來爆發(fā)式的需求增長。
圖 | 功率密度/體積成為電源模塊設計廠商的重要挑戰(zhàn)之一
市場機遇往往伴隨著各種各樣的挑戰(zhàn)，就電源模塊而言，功率密度和模塊體積的要求越來越嚴格，以OAM數(shù)據(jù)處理單元為例，單板上處理器的需求功耗達到了600W，已經(jīng)遠超之前的單顆電源模塊的輸出功率，未來可能還會朝著1kW，甚至2kW邁進，與此同時，處理器電流將從幾百安培增加到1,000安培，甚至2,000安培及以上。而隨著負載功率增加，客戶電源模塊的效率越來越高，整個單元的占板面積越來越小，當前90%以上的效率已經(jīng)是這類需求的家常便飯。這些矛盾點對電源模塊廠家來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。
圖 | 散熱成為電源模塊設計廠商的重要挑戰(zhàn)之一
除了功率和體積外，散熱同樣成為重要的挑戰(zhàn)之一。以通信基站為例，我們知道，基站分布的地域非常廣，在一些比較嚴苛的環(huán)境下會面臨極度高溫，而環(huán)境溫度過高，本身就是系統(tǒng)散熱的最大敵人；再加上隨著5G桿塔的推廣，特別是AAU單元的集成度越來越高，傳統(tǒng)的風扇散熱被淘汰，在桿塔上，銅鋁散熱器的散熱方案成為主流，這種沒有空氣流動、全靠散熱器與環(huán)境空氣進行熱交換的散熱方式，成為每個廠家系統(tǒng)工程師的噩夢；此外，隨著數(shù)據(jù)通信流量的暴增，也會讓5G桿塔的功率負載快速增長，這也意味著發(fā)熱源會更大。這些都會倒推成為每個電源廠家的難題。
圖 | 智能化成為電源模塊設計廠商的重要挑戰(zhàn)之一
以上是大功率的場景，對于通用FPGA或者專用ASCI芯片的供電需求又呈現(xiàn)出另一番現(xiàn)象。比如在AI加速卡、超級計算機的計算單元、5G設備中專用的ASCI數(shù)據(jù)處理接口芯片以及一些工業(yè)測試機或者工業(yè)自動化設備的供電中，它們的特點是電源負載數(shù)量越來越多，不同的電壓軌越來越多，電源通道數(shù)量增加，開關機時序日漸嚴格，通道之間的電磁兼容問題越來越突出。同時，在一些ASIC芯片、FPGA通訊應用中，嚴格需要根據(jù)負載的實際工作情況來調節(jié)電源，這就要求電源模塊做到負載端的在線智能分配、數(shù)字接口和智能監(jiān)控、防呆設計和智能檢測，以及智能保護和一些特殊私有化協(xié)議的響應等。因此，給這類型多通道負載設計出可靠、智能供電的方案，也是被擺在電源工程師面前的挑戰(zhàn)之一。
綜上，根據(jù)應用的不同，供電電源的負載需求千差萬別，面對不同的負載，供電電壓要求差別也很大，而供應鏈工程師做電源物料管理時卻幻想“一顆芯片包打天下”。面對該矛盾，電源設計工程師試圖通過冗余設計和足夠的可擴展功能，來滿足更多條件下的需求，并確保設計方案具有一定的繼承性。
因此，MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞認為，多路化的電源是未來發(fā)展的重要方向之一。
“因為多路輸出的模塊，加上3D封裝，能夠顯著地提高電源的功率密度，同時更方便散熱方案的整體設計，從整體上提升電源的散熱性能。其次，多路輸出的模塊使用了同一個控制大腦，比較容易識別每一路輸出的狀態(tài)，更有利于實現(xiàn)通道之間的智能化配置。最后，多路輸出的模塊擁有更好的EMI性能?！?涂瑞解釋道。
在這樣的大背景下，我們看到MPS推出的MPM54322和MPM54522是兩款比較優(yōu)秀的高功率密度的3D封裝電源模塊。其中MPM54322支持雙路 3A，并聯(lián)可實現(xiàn) 6A 輸出； MPM54522則可支持雙路 6A，并聯(lián)可實現(xiàn) 12A 輸。5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的極小尺寸，讓這兩款模塊在AI加速卡供電以及光模塊等PCB布局空間極為狹小的應用場景中大顯身手。
- 優(yōu)化散熱設計的多路電源模塊模塊
圖 | 電源模塊3D封裝三熱仿真
圖 | 電源模塊加強散熱型設計仿真
- 特殊的3D封裝，將本體溫度較低、導熱性能較好的金屬粉末電感層疊安裝在晶圓上方。電感磁芯導熱系數(shù)高，能有效幫助晶圓散熱，從而消除整個模塊中的散熱瓶頸，使模塊整體發(fā)熱均勻、減輕系統(tǒng)級散熱壓力。在此基礎上，單顆多路輸出的PMIC晶圓配合多顆電感的3D封裝方式，更能把散熱優(yōu)勢推向極致。
- 針對大電流產(chǎn)品，在模塊內(nèi)部晶圓上增加高導熱系數(shù)的散熱零件，也是有效消除晶圓散熱瓶頸的方式。
MPS推出的業(yè)界體積超小的20A電源模塊MPM54524是優(yōu)化散熱設計的一個典型例子。它采用了ECLGA封裝，體積壓縮到8mmx8mmx2.9mm，與此同時散熱性能優(yōu)于同性能的分立器件解決方案。此外在12V轉3.3V應用下，滿載效率大于90%，峰值效率可達92.3%。另外，該模塊可支持四路單相5A輸出，或雙相并聯(lián)輸出兩路10A，還可支持三相并聯(lián)15A和四相并聯(lián)20A，極大減小了中、大電流應用場景下的開關損耗。
- 多路輸出及負載智能分配的電源模塊
在一些板卡或者其他系統(tǒng)組件熱插拔操作中，常常會遇到一種頭疼的場景：由于來自不同供應商的熱插拔組件中供電負載不確定性太大，前級供電系統(tǒng)不得不添加較多的被動器件，用來支持不同的負載需求。我們來看交換機中光模塊端口供電的傳統(tǒng)設計方案：
圖 | 傳統(tǒng)光模塊端口供電方案
各型光模塊協(xié)議定義中，將進入光模塊金手指的3.3V供電電源分成了3路，分別給光模塊的接收端、發(fā)射端，以及內(nèi)部邏輯控制電路供電。這樣定義的初衷，是由于光模塊接收端、發(fā)射端對電源噪聲較為敏感，獨立供電能盡可能將電源噪聲隔離，提高光模塊傳輸性能。但實際設計中，光模塊的尺寸和高頻走線極大壓縮了電源走線的空間，于是在很多光模塊設計中會在內(nèi)部將3路走線連接在一起。這樣，光模塊端口在插入不同廠家生產(chǎn)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被短接在一起集中供電。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(jīng)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。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。
MPS推出具備智能負載分配功能的電源模塊MPM54313則能干凈清爽地解決此類問題。三路輸出降壓電源模塊，每路輸出電流3A，獨立供電。熱狀態(tài)下輸出通道間短接時，模塊內(nèi)部的負載智能分配電路可迅速實現(xiàn)在線負載均流，支持9A輸出。此外該電源模塊的數(shù)字接口能實時反饋供電電壓、電流、溫度、告警等監(jiān)控信息，減少供電端口外圍監(jiān)控電路設計。在使用智能電源模塊方案后，供電端口體積和成本大大降低：
圖 | 智能光模塊端口供電方案
- 多路電源模塊EMI優(yōu)化及數(shù)字監(jiān)控功能
在MPS多路輸出電源模塊家族中，除前文提及的各種獨門秘技外，數(shù)字監(jiān)控、上位機輔助調試、EMI優(yōu)化等家族式特點更推動電源模塊產(chǎn)品成為硬件工程師們的首選。
圖 | 數(shù)字化上位機輔助調節(jié)界面
圖 | 某型多路輸出電源模塊EMI輻射測試曲線
數(shù)字監(jiān)控功能得益于MPS晶圓設計的傳統(tǒng)積累，能提供模塊運行狀態(tài)監(jiān)控、開發(fā)調試、數(shù)字配置保存及導入等一系列功能。而EMI設計方面，通過器件3D布局，減少SW Copper的天線效應；多路集成化設計則可以實現(xiàn)內(nèi)部電磁干擾的實時補償；基板設計上，在功率平衡流動和過孔通流方面做文章，優(yōu)化磁場分布來約束電磁輻射；抖頻功能更幫助EMI頻段薄弱點實現(xiàn)能量分散，減小了輻射峰值。
在電源模塊應用領域，MPS優(yōu)勢獨特，可以幫助客戶成功、快速地開發(fā)安全、智能、可靠的解決方案。作為一家全球領先的半導體供應商，MPS憑借敏銳的洞察力和優(yōu)秀的模塊設計，可以滿足復雜多變的供電需求，助力客戶創(chuàng)造更大產(chǎn)品價值。
