在大多數(shù)行業(yè)中，模塊化因其使用方便、價(jià)格合理、性能優(yōu)化等特點(diǎn)得到了市場(chǎng)的普遍認(rèn)可，電源行業(yè)亦是如此。從工業(yè)時(shí)代的磚式電源開(kāi)始，模塊化電源因其標(biāo)準(zhǔn)化、易于維護(hù)而得到廣泛普及。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，芯片封裝式的功率模塊已經(jīng)司空見(jiàn)慣，并逐漸受到市場(chǎng)的青睞。二次電源模塊（傳統(tǒng)DC-DC）市場(chǎng)預(yù)計(jì)將從2020年的2億美元增長(zhǎng)到2024年的10億美元。需求增長(zhǎng)的主要來(lái)源將包括5G通信基礎(chǔ)設(shè)施、AI數(shù)據(jù)中心、計(jì)算中心等大型信息技術(shù)設(shè)施。

幾大功率芯片廠(chǎng)商都在關(guān)注功率模塊這一新興市場(chǎng)。今天我們要介紹的MPS就是其中之一。

為什么要使用電源模塊

MPS電源模塊產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理Roy Tu表示，MPS開(kāi)發(fā)電源模塊的初衷是為客戶(hù)提供更簡(jiǎn)單、更易用、更可靠的產(chǎn)品，通過(guò)模塊化壓縮客戶(hù)硬件開(kāi)發(fā)周期，降低重復(fù)迭代的成本在PCB設(shè)計(jì)中。由此造成研發(fā)資源的浪費(fèi)。

Roy以真實(shí)的客戶(hù)開(kāi)發(fā)周期為例。在傳統(tǒng)的分立電源設(shè)計(jì)中，芯片和無(wú)源元件的計(jì)算和選擇過(guò)程需要2-12周的時(shí)間。之后，需要進(jìn)行原理圖、布局設(shè)計(jì)、背板調(diào)試和驗(yàn)證。需要1-3周。開(kāi)箱即用的電源模塊可將開(kāi)發(fā)周期縮短高達(dá)70%，從18 周縮短至5 周。

此外，與分立解決方案相比，電源模塊還具有體積小、散熱高的特點(diǎn)。例如，MPS的電源模塊采用3D堆疊方式對(duì)電感和IC進(jìn)行三維封裝，可以減少平鋪面積，為客戶(hù)節(jié)省PCB空間。而且IC還可以通過(guò)電感等方式進(jìn)行散熱，從而降低溫升，提高系統(tǒng)性能和效率。

第三，電源模塊具有更好的EMI性能，可以針對(duì)客戶(hù)應(yīng)用優(yōu)化引腳布局和電力傳輸路徑。

電源模塊的未來(lái)挑戰(zhàn)

電源模塊的諸多優(yōu)勢(shì)也是未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

首先，需要進(jìn)一步減小尺寸并進(jìn)一步提高功率密度。例如，部分OAM單元的處理器功耗已達(dá)到600W規(guī)格，未來(lái)將超過(guò)1kW甚至2kW。同時(shí)，在高功率下，還需要保持高轉(zhuǎn)換效率和小尺寸。

其次是散熱帶來(lái)的挑戰(zhàn)。例如，5G基礎(chǔ)設(shè)施中的電源模塊需要適應(yīng)惡劣的室外環(huán)境、無(wú)風(fēng)扇冷卻和重負(fù)載環(huán)境。

三是供電渠道更加豐富。隨著板上元件越來(lái)越多，它們所需的電壓軌也變得越來(lái)越復(fù)雜，需要更嚴(yán)格的通電和斷電時(shí)序，以及更嚴(yán)格的EMI。

第四，Roy還提到需要一種更通用的電源模塊，可以考慮不同的電壓軌和不同的輸出功率，而不會(huì)因靈活性而增加冗余成本。

最后是智能化的需求，包括智能負(fù)載分配、智能保護(hù)、智能檢測(cè)等能夠提升設(shè)計(jì)體驗(yàn)的功能。

MPS的回應(yīng)

為了滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的電源模塊需求，MPS推出了百余種不同特性的電源模塊。通過(guò)匹配不同的特性創(chuàng)新，MPS可以滿(mǎn)足電源模塊的個(gè)性化需求。

MPS雙輸出系列電源模塊MPM54522和54322系列，輸入電壓范圍為2.85V至16V，輸出電壓范圍為0.4V至3.8V，支持并聯(lián)多路輸出，并支持兩相自動(dòng)交錯(cuò)并聯(lián)，從而減少紋波。該產(chǎn)品支持遠(yuǎn)程采樣精準(zhǔn)控制、快速負(fù)載響應(yīng)，并靈活配置數(shù)字接口和模式選擇功能。

這種靈活的工作方式使其非常適合FPGA和ASIC電源，應(yīng)用于包括電信基礎(chǔ)設(shè)施、加速卡、光模塊、自動(dòng)化等領(lǐng)域。

MPM54524是業(yè)界最小的20A負(fù)載封裝模塊，尺寸僅為8mmx8mmx2.9mm。如此高功率密度的原因在于MPS創(chuàng)新的封裝方法。將晶圓嵌入基板中，然后將電感器安裝在基板的表面上。熱量通過(guò)玻璃纖維和導(dǎo)熱膠體在電感和IC之間傳遞。

另一款MPM82504E在封裝中添加了金屬，其導(dǎo)熱率比塑料填充更高。

MPS獨(dú)特的垂直包裝技術(shù)

Roy還提到了光模塊中的電源管理。光模塊對(duì)電源噪聲非常敏感，因此光模塊單元的電源需要分成多路分別向接收端、發(fā)送端和內(nèi)部邏輯控制電路供電，并通過(guò)以下方式提高噪聲抑制：隔離。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，光模塊的尺寸和高頻布線(xiàn)壓縮了電源布線(xiàn)空間，因此很多情況下光模塊供應(yīng)商只能犧牲尺寸和成本，或者犧牲性能。 MPS推出具有智能負(fù)載分配功能的電源模塊MPM54313。具有三路輸出降壓電源模塊，每路輸出電流3A，獨(dú)立供電，滿(mǎn)足光模塊的需求。

針對(duì)EMI緩解，MPS推出了一系列創(chuàng)新技術(shù)，包括3D布局以減少銅的天線(xiàn)效應(yīng)；多路集成設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)電源內(nèi)部電磁干擾的實(shí)時(shí)補(bǔ)償；基板設(shè)計(jì)基于功率平衡流和通孔布線(xiàn)。流量方面，優(yōu)化磁場(chǎng)分布，抑制電磁輻射；采用開(kāi)關(guān)頻率調(diào)整、抖頻等豐富技術(shù)從不同角度優(yōu)化EMI。 MPM3596就是這樣一款符合Class-5輻射標(biāo)準(zhǔn)的電源模塊。

未來(lái)更好的路線(xiàn)圖

MPS公開(kāi)功率模塊發(fā)展路徑

如今，MPS可以涵蓋從6V到75V的廣泛電源模塊產(chǎn)品，以及汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品。

“MPS電源模塊未來(lái)的研發(fā)思路，除了高電壓、大電流、高功率密度的不變方向外，我們將更加注重電源模塊數(shù)字化功能和智能化功能的發(fā)展?！绷_伊說(shuō)道。