5G基站应用的复杂性正在推动低EMI DC/DC模块的需求增长

现有的4G基站，每个阵列最多使用四个发射器和四个接收器（4x4 MIMO）。与之相比，预计采用大规模MIMO阵列的5G基站，每个阵列可使用多达64个发送器和64个接收器。加之每个基站节点有更多的信道，5G网络能比4G网络的数据传输速率高100倍，并且网络延迟低至1ms。

这将意味着每个5G基站需要更多的调制解调器，数据转换器和高速基带数字处理器，也就不可避免地需要更多的电源供给。预估表明，5G基站可能比现有4G基站多三倍的功率需求，需要硬件设计师找到合适的电源解决方案，为新增的处理器供电，并将所有元器件能被压缩到和现有4G基站机壳差不多的尺寸中。对比传统分立式 DC / DC IC和外部电感的解决方案，5G基站的电路板组件密度要求更高，尺寸要求更小，且需要实现更高的效率和更低的EMI。

基站的输入电压通常为48V，该电压被DC / DC转换器降压至24V或12V，然后进一步降压到多个电源轨，范围从3.3V至1V以下，这些电源轨为基带处理器中的ASIC电路供电。

传统的电源解决方案是使用分立式降压DC/DC变换器，采用一个控制IC，使用内置或者外置的功率MOSFET，再加上外部电感和电容等元件，产生所需的电源轨。由于5G基站需要的电源轨众多，如果使用传统的解决方案，产生这些电源轨将会是一个非常复杂而耗时的任务。不仅必须要考虑每个转换器的电感尺寸和结构、输入输出电容容值、输入滤波，还要考虑到其他因素，例如工作频率和时序等问题。

同时，为了减少开关电流引起的传导和辐射EMI，还需要精心对元件布局和放置滤波器组件。DC / DC转换器通常会通过电流回路中的磁场产生传导EMI，而电流回路主要形成在输出功率MOSFET开关节点与地之间以及输入电容与地之间。MOSFET开关节点与电感连接处也会产生辐射电场EMI，由于需要不断在输入电平与地电平切换，因此dV / dt很高，并且电感本身产生的电磁场也会产生辐射(见图1）。

图 1：DC / DC降压转换器的典型EMI噪声源

如果设计不当，会造成极其耗时耗费的设计迭代和重复EMI测试。

为了简化设计并加快产品上市速度，一种替代的解决方案是在每个电源轨上使用独立的DC / DC转换器模块。随着半导体工艺技术和封装结构的进步，MPS最新一代的DC / DC模块可以实现小尺寸、高功率密度、高效率和良好的EMI性能。同时，新的封装技术，例如倒装工艺和“mesh-connect”引线框架技术，可以将IC、电感和无源器件直接安装在引线框架上，无需打线或额外的内部PCB (见图二)。

图2:集成模块DC / DC降压变换器结构

引线框架结构优点明显，它可以更好地控制EMI，改善散热，并能减少占板面积。

与采用内部PCB基板或打线的结构相比，此种结构可以最大限度地减少走线长度，并能直接连至无源元件，大大降低了寄生电感，减少了EMI。而且表面直接贴装在目标PCB上的焊盘栅格阵列（LGA）封装，和SIP/SIL封装的变换器相比，其EMI更少，因为SIP/SIL封装的引脚会辐射EMI。同时，LGA封装允许接地层覆盖模块下方的大部分区域，有助于闭合涡流环路而进一步降低EMI（见图3）。 对于有些类型的模块电源，其金属外壳还可以减少额外的EMI辐射。

图 3:模块较大接地层面积有助于降低EMI

T使用铜柱直接将MOSFET裸片的源极和漏极连接到模块的引线框架上，可以改善从功率MOSFET到目标PCB覆铜的热传导，实现更小的模块尺寸，而传统结构中的打线或内部电路板结构则会阻碍散热。

MPS 产品MPM3550E采用集成模块的方法，大大节省了布板空间。该模块可以在 1V 至 12V 可调输出电压范围内实现 5A 的最大持续输出电流，最大输入电压高达36V，采用尺寸为12mmx12mmx4.2mm 的LGA封装。

与带有外部电感和无源元件的传统36V、3.5A分立式DC / DC布局相比，MPM3550E的占板面积可节约30％的空间 (见图四)。

图 4: DC / DC降压模块尺寸对比传统分立式DC / DC解决方案尺寸

除了节省空间外，设计人员也无需再考虑独立元件的选型或转换器的布局。这些问题已经在MPS的模块设计时被考虑。MPS的电源模块集成了软饱和磁芯的封闭式磁路电感、优化的电流环路和集成输入滤波，能大大简化最终设计，确保满足辐射和传导EMI要求。

由两个10μF电容和一个3.3μH电感的组成的LC低通滤波器，足以满足传导发射规范，包括CISPR22 Class B 和CISPR25 Class 5规范 （见图5）。

图 5：带有外部EMI滤波器的模块性能图及传导EMI结果

为了进一步节省电路板空间，一种可行的办法是将多个DC/DC变换器集成到一个模块中。这尤其适用于低压电路，例如ASIC。较低的功率等级允许多个变换器集成到一个模块的同时，仍能实现可控的功率密度和功耗水平。(见图六，图七)。

图 6：集成4个DC/DC变换器模块示例

图 7：集成4个DC/DC模块的小尺寸封装图

与使用独立DC/DC电源变换器的解决方案相比，采用多电源轨模块方案，可以节约高达90％的占板面积。图8显示的是MPS 的电源模块MPM54304，与四个分立的降压转换器占用面积的比较，MPM54304将四个降压转换器包括电感和无源元件集成在单个7mmx7mmx2mm模块中。

图 8：四个分立式DC / DC转换器与MPM54304的占板空间的比较

毋容置疑的是，5G基带和无线电板设计对于元件集成度和功率密度的要求更高，同时还会受到安装机柜尺寸和无线电天线杆负载能力的限制。而使用DC / DC集成模块可以帮助节省电路板空间，简化布局和降低EMI。 综上所述，MPS的解决方案不但可以降低设计风险，还能缩短产品上市时间。