電源模塊化封裝有什么優(yōu)勢?更大的電流、更高的功率密度和更高的散熱要求，MPS又會如何應(yīng)對?對于電源模塊化開發(fā)又有著怎樣的路線規(guī)劃?

12月6日，芯源系統(tǒng)股份有限公司(Monolithic Power Systems, Inc.，下稱MPS)舉行了“更小更易更強(qiáng)”主題電源模塊新品發(fā)布會，介紹了MPS電源模塊新產(chǎn)品，分享了當(dāng)前電源模塊產(chǎn)品發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)以及MPS的應(yīng)對策略。

電源模塊市場發(fā)展?jié)摿?/p>

相比于傳統(tǒng)的分離電源方案，電源模塊的優(yōu)勢在于集成度高、體積小、功率密度高，近年來逐漸受到不少電源廠商的青睞。從2020年開始，二次電源模塊市場(也就是傳統(tǒng)DC-DC電源模塊產(chǎn)品)需求量從2億美元的小眾市場迅速增長，預(yù)計2024年將接近10億美元，特別是5G基站、以及5G中回傳相關(guān)的路由設(shè)備、交換設(shè)備、光模塊級相關(guān)板卡設(shè)備都需要大量的模塊電源，而隨著AI大數(shù)據(jù)領(lǐng)域、超級計算機(jī)以及超級計算單元等應(yīng)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。

電源模塊市場趨勢預(yù)測

電源模塊市場的挑戰(zhàn)

但模塊電源高速發(fā)展的同時，也仍存在不少的問題和挑戰(zhàn)。

更高的功率密度和更小的體積要求。電源模塊設(shè)計中首先面臨的挑戰(zhàn)，就是功率密度和模塊體積的要求越來越嚴(yán)格，處理單元的功率需求從600W提高至1kW甚至2kW，電流從幾十A提高至1000A甚至2000A以上，效率也要求90%以上，但與此同時，整個單元的占板面積要求反而要越來越小，這對電源模塊的功率密度和體積都提出了更大的挑戰(zhàn)。

某OAM數(shù)據(jù)處理單元

更高的散熱性能。功率密度的提高和體積的減小，本身就會對散熱提出更苛刻的要求，模塊電源的應(yīng)用環(huán)境，更加劇了這一問題的嚴(yán)峻性。以典型的基站發(fā)射桿塔為例，其對電源的需求幾乎湊齊了所有嚴(yán)苛的散熱條件：極高的環(huán)境溫度、越來越高的集成度加上銅鋁散熱器的散熱方案，在追求更大功率輸出趨勢下，成為每個電源廠家的難題。

更多的輸出電壓軌。在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及到通用FPGA或者專用ASCI芯片的供電需求也越來越多，比如各種AI加速卡的供電、超級計算機(jī)計算單元的供電、5G設(shè)備中專用ASCI數(shù)據(jù)處理接口芯片的供電，還有一些工業(yè)測試機(jī)或者工業(yè)自動化設(shè)備中供電等等，導(dǎo)致電源負(fù)載數(shù)量越來越多，電源通道數(shù)量增加，不同的電壓軌越來越多，開關(guān)機(jī)時序也日漸嚴(yán)格，如何解決電磁兼容問題，設(shè)計出高可靠性的多通道負(fù)載方案，也是電源廠商的挑戰(zhàn)之一。

產(chǎn)品通用性差。在很多硬件設(shè)計中，不同的負(fù)載，對供電電壓要求差別很大，負(fù)載對供電電壓要求較寬，負(fù)載電流實際大小也與工作環(huán)境強(qiáng)相關(guān)，加上產(chǎn)品迭代導(dǎo)致其可擴(kuò)展性差，如何用一顆芯片來完成盡可能多的設(shè)計，不僅是電源工程師的訴求，也是芯片廠商在孜孜追求的優(yōu)化方向。

智能化帶來的挑戰(zhàn)。隨著產(chǎn)品智能化的普及，系統(tǒng)也日趨復(fù)雜，各種通訊、接口、輔助電源等容易引發(fā)負(fù)載突變，如何智能、動態(tài)的分配負(fù)載以提高方案可靠性同樣是工程師和廠商面臨的挑戰(zhàn)。

MPS“芯”思路 多路輸出+3D封裝模塊

減少70%設(shè)計時間。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過程往往需要14-90天，較為復(fù)雜的原理圖和Layout設(shè)計、 回板調(diào)試驗證更需要大量的時間。為了給客戶提供更簡單、更易用的產(chǎn)品，提供可靠性更高的產(chǎn)品，減少PCB設(shè)計中反復(fù)迭代而產(chǎn)生的研發(fā)資源浪費(fèi)，壓縮客戶硬件開發(fā)周期，MPS推出了高度集成的電源模塊產(chǎn)品，幫助客戶大量節(jié)省前期選型、驗證時間，有效縮短原理圖和Layout耗時。據(jù)MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理Roy Tu介紹，使用電源模塊產(chǎn)品會比分立方案減少多達(dá)70%的設(shè)計時間。

100A傳統(tǒng)分立方案和模塊電源方案典型應(yīng)用對比

提高電源功率密度。模塊化可以讓電源設(shè)計跳出常規(guī)思路，在同樣體積前提下，壓縮它的寬度，使模塊能更貼近負(fù)載芯片，這樣可以減少空間浪費(fèi)，減小寄生阻抗損耗，同時賦予模塊通道之間自由并聯(lián)的能力，減少組件之間 Clearance 帶來的空間浪費(fèi)，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，提升功率密度，由此帶來的另一大好處是可以減少大量的平鋪面積，為PCB板節(jié)省1/3甚至高達(dá)1/2的占板空間。

超高功率MPM54522/MPM54322系列電源模塊產(chǎn)品

多路電源模塊優(yōu)化散熱。MPS采用基板嵌入式設(shè)計，將晶圓嵌入基板，然后電感貼裝在基板表面，電感和IC之間通過玻璃纖維和導(dǎo)熱的膠體進(jìn)行有效的熱交換，使電感本體和晶圓之間達(dá)到熱平衡，消除了方案中的散熱瓶頸，從整體上提升模塊的熱性能。值得一提的是，MPS的MPM54524這款產(chǎn)品，是目前業(yè)界能夠輸出 20A 負(fù)載的最小封裝模塊(8mmx8mmx2.9mm)。

MPM82504E系列電源模塊產(chǎn)品

智能分配負(fù)載。多路輸出的一大好處是可以智能分配負(fù)載，以電源模塊MPM54313為例，可以有效地解決傳統(tǒng)單顆大電流電源通過負(fù)載開關(guān)、LC濾波電路將電壓軌相對獨(dú)立成3路而出現(xiàn)的供電端口體積劇增問題，有效地節(jié)省了成本。

MPM54313系列電源模塊產(chǎn)品

高集成度設(shè)計優(yōu)化EMI性能。傳統(tǒng)的多路供電應(yīng)用中，芯片數(shù)量繁多，不同設(shè)計方案EMI性能差異巨大，對企業(yè)的布板能力和仿真測試要求高，而過器件3D布局，可有效減少SW Copper的天線效應(yīng)，多路集成化設(shè)計則可以在電源內(nèi)部實現(xiàn)電磁干擾的實時補(bǔ)償，并通過基板設(shè)計的功率平衡流動和過孔通流優(yōu)化磁場分布，約束電磁輻射，滿足客戶EMI性能要求。

MPM3596系列電源模塊產(chǎn)品

結(jié)語

目前，MPS電源模塊產(chǎn)品已實現(xiàn)6V-75V輸入電壓覆蓋，涵蓋了低壓檔、中壓檔和車規(guī)個36V檔等各種應(yīng)用場景，談及產(chǎn)品未來發(fā)展規(guī)劃時，Roy Tu表示，高功率、小型化是模塊電源產(chǎn)品未來發(fā)展趨勢，也是MPS的努力方向，MPS未來也將在更高的輸入電壓和更大的輸出電流方面進(jìn)一步拓展相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅