数字化多路电源模块将即将崭露头角

来源:电子创新网发布时间:2022-12-081687浏览

近几年来，板级电源模块产品呈现爆炸式发展态势，其集成度高、体积紧凑的优点，吸引了越来越多的终端客户选择。而越来越多的应用类型、越来越复杂的使用场景，也对电源模块产品提出了更高的挑战。如何达到性能最优？如何提升用户设计体验？如何增强可靠性？各种尖锐的问题，促使IC电源厂商不断追求着控制策略优化、工艺优化、设计结构优化。MPS在电源模块产品设计方面有着自己独到的理解和技术沉淀，并藉此推动电源模块产品的交付量迅猛增长。

什么是板级电源模块？答案似乎很简单：把诸如阻、容、感等被动器件，与电源IC封装在一起形成一个整体，这就是一个典型的板级电源模块。但是，这样简单将单颗IC结合被动器件组装出一个电源模块，能否完全激发出性能潜力？这个问题值得电源厂商思考。让我们先来聚焦电源模块应用，甚至推广到板级电源应用中存在的一些痛点：

AI、数据计算等应用领域，对更大电流能力、更高功率密度解决方案的需求；
更紧凑的装配空间，更苛刻的散热条件，导致产品在追求更小体积和更好散热之间难以取舍；
越来越复杂的系统让供电轨数急剧增加，如何更好的布板、梳理复杂的电源层、优化电源时序控制、优化EMI问题，也让硬件工程师头痛不已；
电源模块通用性需求，为减轻供应链管理难度，物料归一化呼声日渐增多；
电源模块智能化、数字化趋势明显，诸如智能均流、智能并联、在线监控等功能，逐渐成为复杂系统供电设计的刚需。

图1电源模块的痛点聚焦面对这些硬件设计中的痛点，多路数字电源模块的优势越来越明显。除了满足客户常规的“小体积”需求外，其“高效散热、可扩展性、可兼容性、智能化”等特点更能给实际硬件设计带来前所未有的便捷。MPS如何将模块做到既小又好，让我们来一睹它们的技术细节。高功率密度和3D封装的多路模块

3D封装大幅减小占板面积，有效提高布局密度；
更灵巧的模块外形设计，模块能贴近负载端放置，减小布局带来的线路损耗；
灵活方便的多路并联模式，单一输入源可降低布板复杂程度，进一步减少线路损耗；
并联功能增加模块的输出能力，更让电路工作在多相交错状态，减小模块开关损耗

图2典型3D封装示意图MPS推出的MPM54322和MPM54522是两款比较优秀的高功率密度的3D封装电源模块。其中MPM54322支持双路 3A，并联可实现 6A 输出；MPM54522则可支持双路 6A，并联可实现 12A 输。5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的极小尺寸，让这两款模块在AI加速卡供电以及光模块等PCB布局空间极为狭小的应用场景中大显身手。

优化散热设计的多路电源模块模块

图3电源模块3D封装三热仿真图4电源模块加强散热型设计仿真

特殊的3D封装，将本体温度较低、导热性能较好的金属粉末电感层叠安装在晶圆上方。电感磁芯导热系数高，能有效帮助晶圆散热，从而消除整个模块中的散热瓶颈，使模块整体发热均匀、减轻系统级散热压力。在此基础上，单颗多路输出的PMIC晶圆配合多颗电感的3D封装方式，更能把散热优势推向极致。
针对大电流产品，在模块内部晶圆上增加高导热系数的散热零件，也是有效消除晶圆散热瓶颈的方式。

MPS推出的业界体积超小的20A电源模块MPM54524是优化散热设计的一个典型例子。它采用了ECLGA封装，体积压缩到8mmx8mmx2.9mm，与此同时散热性能优于同性能的分立器件解决方案。此外在12V转3.3V应用下，满载效率大于90%，峰值效率可达92.3%。另外，该模块可支持四路单相5A输出，或双相并联输出两路10A，还可支持三相并联15A和四相并联20A，极大减小了中、大电流应用场景下的开关损耗。·多路输出及负载智能分配的电源模块在一些板卡或者其他系统组件热插拔操作中，常常会遇到一种头疼的场景：由于来自不同供应商的热插拔组件中供电负载不确定性太大，前级供电系统不得不添加较多的被动器件，用来支持不同的负载需求。我们来看交换机中光模块端口供电的传统设计方案：

图5 传统光模块端口供电方案各型光模块协议定义中，将进入光模块金手指的3.3V供电电源分成了3路，分别给光模块的接收端、发射端，以及内部逻辑控制电路供电。这样定义的初衷，是由于光模块接收端、发射端对电源噪声较为敏感，独立供电能尽可能将电源噪声隔离，提高光模块传输性能。但实际设计中，光模块的尺寸和高频走线极大压缩了电源走线的空间，于是在很多光模块设计中会在内部将3路走线连接在一起。这样，光模块端口在插入不同厂家生产的光模块时，会有两种可能性：3路3.3V独立供电，或者3路3.3V被短接在一起集中供电。传统的供电设计，是通过单颗大电流电源得到3.3V电压后，经过一系列负载开关、LC滤波电路将电压轨相对独立成3路，满足可能出现的独立/集中供电。这样的冗余设计导致了供电端口体积剧增，硬件成本也会随之飙升。MPS推出具备智能负载分配功能的电源模块MPM54313则能干净清爽地解决此类问题。三路输出降压电源模块，每路输出电流3A，独立供电。热状态下输出通道间短接时，模块内部的负载智能分配电路可迅速实现在线负载均流，支持9A输出。此外该电源模块的数字接口能实时反馈供电电压、电流、温度、告警等监控信息，减少供电端口外围监控电路设计。在使用智能电源模块方案后，供电端口体积和成本大大降低：

图6 智能光模块端口供电方案

多路电源模块EMI优化及数字监控功能

在MPS多路输出电源模块家族中，除前文提及的各种独门秘技外，数字监控、上位机辅助调试、EMI优化等家族式特点更推动电源模块产品成为硬件工程师们的首选。

图7 数字化上位机辅助调节界面 图8 某型多路输出电源模块EMI辐射测试曲线数字监控功能得益于MPS晶圆设计的传统积累，能提供模块运行状态监控、开发调试、数字配置保存及导入等一系列功能。而EMI设计方面，通过器件3D布局，减少SW Copper的天线效应；多路集成化设计则可以实现内部电磁干扰的实时补偿；基板设计上，在功率平衡流动和过孔通流方面做文章，优化磁场分布来约束电磁辐射；抖频功能更帮助EMI频段薄弱点实现能量分散，减小了辐射峰值。

在电源模块应用领域，MPS优势独特，可以帮助客户成功、快速地开发安全、智能、可靠的解决方案。作为一家全球领先的半导体供应商，MPS凭借敏锐的洞察力和优秀的模块设计，可以满足复杂多变的供电需求，助力客户创造更大产品价值。关于MPSMonolithic Power Systems, Inc. (MPS)是一家全球领先的半导体公司，专注于基于芯片的高性能电源解决方案。MPS 的使命是减少能源和材料消耗，从各个方面改善生活质量。公司于1997年由CEO Michael Hsing 成立，拥有三大核心优势：深厚的系统级知识、强大的半导体设计专业知识、专有的半导体工艺和系统集成技术及创新能力。这些综合优势使 MPS 能够为客户提供具有可靠、紧凑和单片的解决方案，使其产品更节能、更经济，同时也为我们的股东带来持续的投资回报。更多MPS信息，请访问www.monolithicpower.cn或各地办事处。****直播预约！与大咖一起聊聊本土GPU的现状与未来

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