隨著5G和AI的發(fā)展，電源模塊市場增長強勁。預(yù)測數(shù)據(jù)顯示，到2024年僅二次電源模塊的市場規(guī)模有望從2020年的2億美元增長到近10億美元。其中需求增長主要會來自5G通信基礎(chǔ)設(shè)施、AI數(shù)據(jù)中心、超算等應(yīng)用領(lǐng)域。
電源模塊的優(yōu)勢
電源模塊相比分立器件有幾大優(yōu)勢：一是開發(fā)周期縮短。傳統(tǒng)的分立方案電源設(shè)計中，從芯片選型到被動元器件計算和選擇等過程就需要至少2周，復(fù)雜設(shè)計甚至需要到3個月的時間；接下來是較為復(fù)雜的原理圖和Layout設(shè)計、 回板調(diào)試驗證等，這些工作都需要大量的時間。電源模塊產(chǎn)品的特性就是高度集成的，可以給客戶省去大量前期選型、驗證的時間，并能幫助客戶減少原理圖和Layout的耗時；據(jù)MPS的經(jīng)驗，使用電源模塊會比分立方案減少多達70%的設(shè)計時間。
電源模塊縮短開發(fā)周期（圖源：MPS公司）
二是體積和散熱優(yōu)勢，電源模塊可通過3D堆疊的方法，將電感與IC封裝在同一塊XY區(qū)域內(nèi)，以節(jié)省1/3-1/2的PCB板占板空間。
電源模塊的體積和散熱優(yōu)勢（圖源：MPS公司）
決定木桶水量的是桶上最短的木板，而決定電源系統(tǒng)散熱能力的，則是發(fā)熱量最大的部件。通過3D堆疊技術(shù)，可對電感進行特殊處理，有效消除芯片的發(fā)熱瓶頸，提高整個方案的散熱能力。
管腳設(shè)計上，電源模塊的功率路徑設(shè)計也更為優(yōu)化，使得功率回路最短、也能夠進一步提高諸如EMI之類的客戶更關(guān)心的性能。
市場增長帶來的五大挑戰(zhàn)
市場需求增長的同時給電源模塊帶來了新的挑戰(zhàn)。MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理Roy Tu總結(jié)為五個方面：
其一，功率密度和模塊體積要求越來越嚴(yán)格。隨著OAM標(biāo)準(zhǔn)的演進，整個單元中電源方案需要和計算系統(tǒng)方案會深度集成，進一步帶來了更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)：處理單元的功率需求更高，從600W到1kW，甚至朝著2kW邁進；處理器電流則從幾百安培增加到1000安培，甚至是2000安培及以上；隨著負載功率增加，90%以上效率已是這類需求的家常便飯；而功率需求增加，整個單元的占板面積客戶要求反而要越來越小。
其二，散熱的難題。以典型的基站發(fā)射桿塔為例，幾乎湊齊了所有嚴(yán)苛的散熱條件：基站地域分布廣，環(huán)境溫度過高；5G桿塔AAU單元集成度高，但銅鋁散熱器沒有空氣流動、全部依靠散熱器與環(huán)境空氣熱交換；數(shù)據(jù)通信流量暴增，5G桿塔功率負載增大，發(fā)熱源更大。
其三，更多的輸出電壓軌。由于電源負載數(shù)量越來越多，不同的電壓軌也越來越多；電源通道數(shù)量增加，開關(guān)機時序也日漸嚴(yán)格；供電通道多，通道間的電磁兼容問題也會突出。
其四，通用性挑戰(zhàn)。不同負載對供電電壓要求差別很大，客戶需要一種能夠兼顧不同電壓需求的產(chǎn)品；不同應(yīng)用的供電電源負載需求千差萬別，需要能用盡可能少的物料來覆蓋盡可能廣的負載電流范圍；很多硬件設(shè)計中，負載對供電電壓要求較寬，負載電流實際大小也與工作環(huán)境強相關(guān)，需要靈活地應(yīng)對設(shè)計中的冗余需求，盡可能讓芯片運行在性價比最好的工作段；終端產(chǎn)品硬件不斷迭代下，電源工程師需要擁有足夠的可擴展能力的方案。
其五，智能化的挑戰(zhàn)。一些復(fù)雜的充電系統(tǒng)會有各種Type-C、MCU通訊、輔助電源等需求，需要用更少的芯片完成更多的智能功能。例如，負載會突變的應(yīng)用，如何智能動態(tài)分配負載；在需要智能充電的應(yīng)用場景，如何識別BMS提供過來的信息；又如一些ASIC、FPGA通訊類的應(yīng)用需要嚴(yán)格根據(jù)負載進行電源調(diào)節(jié)，如何智能跟蹤負載需求，就需要在負載端實現(xiàn)在線智能分配、數(shù)字接口、智能監(jiān)控、防呆設(shè)計、智能檢測等。
MPS多路電源模塊
針對實際應(yīng)用中的各種挑戰(zhàn)，作為在電源模塊領(lǐng)域領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，MPS認(rèn)為，多路電源模塊可以有效應(yīng)對，并會成為未來發(fā)展的重要方向。
Roy Tu表示，多路電源模塊有四點優(yōu)勢：第一，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；第二，多路輸出模塊更方便從整體來設(shè)計電源的散熱方案；第三，由于集成在一起，使用了同一個控制的大腦，就比較容易識別每一路輸出的這一個狀態(tài)，可以實現(xiàn)智能化配置；第四，多路輸出模塊有更好的EMI性能。
MPM54322和MPM54522（圖源：MPS公司）
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，輸入電壓范圍從 2.85V 到 16V，輸出電壓范圍從 0.4V 到 3.8V。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。兩款芯片都支持雙路遠端采樣，實現(xiàn)高精度電業(yè)控制；支持雙相自動交錯并聯(lián)，減少紋波幅值；具備COT控制，可實現(xiàn)快速負載響應(yīng)；并且靈活配置了數(shù)字接口和模式選擇功能。同時，5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的極小尺寸，適合PCB布局空間極為狹小的應(yīng)用場景，如AI加速卡供電以及光模塊等。
MPM54524（圖源：MPS公司）
MPM54524是業(yè)界超小的20A 電源模塊，尺寸僅有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。模塊采用了創(chuàng)新的ECLGA封裝，在12V轉(zhuǎn)3.3V應(yīng)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(yīng)用場景下的開關(guān)損耗。
MPM82504E（圖源：MPS公司）
MPM82504E集成了散熱器，通過內(nèi)部增加散熱器，可支持四路25A輸出；可集成I2C數(shù)字接口，支持多相并聯(lián)，一些需要更大電流的應(yīng)用場景，可將MPM82504E并聯(lián)在一起，做到6路并聯(lián)、7路并聯(lián)或8路并聯(lián)等，最大可通過8顆MPM82504E并聯(lián)擴展至800A的負載能力；同時COT提供快速的動態(tài)響應(yīng)，4相交錯的內(nèi)部配置也提供了更小的波紋輸出，與競品相比，同樣的輸出紋波和跳變性能下，可以節(jié)省約一半的輸出電容。
在一些板卡或者其他系統(tǒng)組件熱插拔操作中，由于來自不同供應(yīng)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。MPM54313具備智能負載分配功能的電源模塊，能干凈清爽地解決此類問題。
MPM54313（圖源：MPS公司）
MPM54313三路輸出降壓電源模塊，每路輸出電流為3A，且各路獨立供電。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。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，也能夠通過數(shù)字的方法來對模塊的某一路進行開通和關(guān)斷的操作，減少供電端口外圍監(jiān)控電路設(shè)計。實際使用中，MPM54313可節(jié)省65%的板上空間，節(jié)省60%的BOM成本，提高1%~2%的轉(zhuǎn)換效率。
傳統(tǒng)多路供電應(yīng)用中，芯片數(shù)量繁多，不同客戶PCB布板水平參差不齊，導(dǎo)致不同設(shè)計下EMI的性能差異巨大。MPM3596針對這些痛點優(yōu)化，實現(xiàn)優(yōu)異的EMI性能。
MPM3596（圖源：MPS公司）
MPM3596通過器件3D布局，減少SW Copper的天線效應(yīng)；MPS多路集成化設(shè)計，可在電源內(nèi)部實現(xiàn)電磁干擾的實時補償；基板設(shè)計上，通過優(yōu)化磁場分布約束電磁輻射；抖頻功能夠幫助EMI頻段薄弱點實現(xiàn)能量分散，減小了輻射峰值。
此外，在客戶ADC不夠用但又不愿意額外增加一塊ADC芯片時，MPM3596還能夠臨時將一顆IO口配置為ADC輸入，對一些信號做ADC解析。
MPS電源模塊發(fā)展路徑圖（圖源：MPS公司）
從MPS公開的電源模塊發(fā)展路徑圖可以看到，MPS可以覆蓋從6V到75V廣泛的電源模塊產(chǎn)品，包括車規(guī)級產(chǎn)品；同時，在高壓45V~75V方面的產(chǎn)品相對少一些。Roy Tu表示，MPS未來將在更高的輸入電壓和更大的輸出電流方向進一步拓展。