为5G通讯和AI计算提供澎湃动力 MPS电源设计创新之路揭秘

7月3日，2020慕尼黑上海电子展盛大开幕，作为慕尼黑展唯一的视频直播合作方，<电子发烧友>在展会期间，通过现场直播方式采访了5G领域内众多企业，就相关的行业、技术、市场和产品等话题进行了广泛的交流。

作为全球高性能模拟半导体领域的领导厂商之一，美国芯源系统有限公司（MPS）表示，BiCMOS / DMOS电源管理技术BCD Plus已经进入第六代生产阶段。在5G基站、5G前传光模块和AI计算领域，MPS都成为助力其电源方案的主要提供商。7月3日，MPS北中国区副总经理卢平接受了<电子发烧友>的独家专访，对5G基站、5G前传和AI计算领域的电源产品前景和技术趋势进行了前瞻。

MPS北中国区副总经理卢平

MPS作为全球高性能模拟半导体供应商的领导厂商之一，请介绍一下，你如何看待电源产品在5G基站领域的市场前景和技术趋势是怎样的？

卢平：5G的基站的平均功耗是4G的3倍，5G的基站数量预估是4G的2-3倍。如果采取混合部署站点的方式，5G基站数量有可能达到4G的1.2倍。2018年中国三大运营商电费成本达到240亿，考虑5G基站高功耗和建站数量巨大，预估 5G时代基站耗电一年可能会达到千亿。

5G时代基站耗电会比4G时代大幅提升，这对运营商带来很高的维护成本。因此如何帮助基站降功耗对于5G基站的电源产品而言是最为重要的。

左：电子发烧友执行副主编章鹰 右：MPS北中国区副总经理卢平

5G网络架构比较4G网络出现很大差异，比如5G接入网和承载网构成不同，还有采用大规模阵列天线，这些部分对电源需求有什么不同？宏站和微站的部署不同于4G，这对于电源管理设计方案带来了哪些挑战？

卢平：5G宏基站采用Massive Mimo（大规模阵列天线），典型的5G宏站用到64T64R，要完成波束赋形，目的是让更多的客户接入5G基站，覆盖范围更远，实现3D覆盖。为了实现波束赋形，必须采用强大的算法。

5G基站因为处理的数据量是4G的几十倍，因而它对各类处理器的要求变得更高了。强大处理器离不开大电流的电源芯片。三大挑战随之而来，第一、电流更大，4G时代基站单轨最大电流不超过30A，而现在有些电流翻倍，达到50A或者60A；第二、通道数更多，AAU可能有几十个通道数；第三、环温更高，现在的AAU的功率在1100W+，整体的发热非常严重，对于板上电源来说环境温度更高了，因而输出能力的降额更多了。

从POL电源来说，功率集成是一个趋势，早年10A以上就使用控制器+FET的方式，现在单颗POL电源芯片可以支持30A电流输出；更大的电流的趋势是控制器+DRMOS技术，以达到效率最大化。

MPS独特的半导体生产、封装技术对5G电源芯片供应带来了哪些优势？

卢平：对于电源芯片来说，半导体工艺是支持创新的基石。MPS虽然没有晶圆厂，但是有自己的工艺。MPS会派自己的工程师去调节合作方的产线，把工艺和产品进行配合。优势是MPS可以将设计和工艺进行协同，还可以利用合作厂商最先进的设备。

从MPS的晶元工艺角度来说，MPS的BCD工艺已经进化到第六代BCD6，相对于上一代工艺，单位面积的RDSON（阻抗）又下降了25%，而且采用55nm的工艺，CMOS的面积减小一半，更加适合数字电源技术。

这个工艺可以提升5G电源处理器供电的效率和功率密度；数字电源控制器可以实现动态切相，实时调压，远程上报等功能，大大提升了电源的全负载范围的高效率和灵活性。

2020年，中国三大运营商计划部署55万站5G基站，贵公司电源芯片主攻5G应用的哪些领域？在5G基站电源领域实现了哪些突破？

卢平：我们在宏基站上可以提供整套POL电源，覆盖AAU和BBU（或者是CU+DU），MPS的电源正在帮助客户降低整板功耗，节省空间。除了DCDC，MPS近年来推出多款电源模块，，将晶圆，电感，电容和其他外围器件以芯片级的封装技术封装在一个很小的体积里，可以降低客户大电流电源设计的难度，加快设计周期。

5G在基础设施端的变化，不止是宏基站，在5G的中后期，小基站将会发展起来，完善5G的布网，小基站是麻雀虽小，五脏俱全，小基站的供电可以通过网线供电（POE），MPS可以为小基站电源提供从POE到POL的整套电源解决方案。

在5G前传、中传使用的光模块，对于速率提升有很大帮助，MPS提供小体积的电源模块或电源芯片，还会使用温度控制器，提供业界最小体积、最高功率的电源模块。

5G基站的电源市场，目前有哪些痛点？MPS在电源领域的哪些创新技术和解决方案解决了市场的痛点？

卢平：5G基站的电源重点就是降功耗。站在板级电源上面我们要从两个方面分析，一个是要降低典型负载时的功耗，一个是要降低全负载范围的功耗。我们谈到的DRMOS的单位面积RDSON下降，主要是降低典型负载时的功耗，但基站是有不同场景的，例如夜间它的负载就大大降低，如何降低轻载功耗，也是5G电源设计的一个重要考虑因素，在这里我讲讲MPS的两项技术：

一、auto phase shedding- 自动切相

大电流设计需要用到多相电源，这里的多相是指多个功率级以错相的方式进行并联工作，来提高供电电流能力，加快响应速度。在满负载的时候，多相工作可以带来效率的提升；但当负载降低时，多相导致的更大的开关损耗可能超过它降低的导通损耗，因而带来效率衰减。所以MPS的全系列多相控制器里都集成了一个auto phase shedding的技术，我们检测每相功率级的负载电流，如果低于一个阈值，我们就切相，4相降为3相，3相降为2相。这样可以优化不同负载下的效率。

二、PFO - 功率级区块工作

在非常低的负载情况下，MPS的功率级可以进入PFO（partial FET operation, 部分MOSFET工作）模式，这是因为功率级是BCD工艺单晶元设计，外面看上去就是一个MOSFET集成一个驱动，实际上里面是分布式的千万个MOSFET区块和一一对应的驱动，这样我们就可以实现当负载非常低的时候，可以把一部分的MOSFET关断，相当于深度睡眠，这样进一步提高了轻载下的效率。

Scalable MCUT 技术，在电流大的时候提供多项电源的电流能力，通过CUT提供及时的响应力。对于计算电源来说，大动态的负载是一个非常好的技术，提供稳定的电流。

由于FPGAs和ASIC的快速普及，也给电源模块设计带来了一定的挑战一一应用需要更宽的无线网络带宽来驱动，数据中心则需要更高的功率密度、更快的负载瞬态响应和更智能的功率管理功能。MPM3695-25作为—款业界领先的可扩展模块，可提供高达250A峰值电流、200A持续电流和低至0.5V的输出电压。相比于分立负载点（POL)电源解决方案，MPM3695-25能提供更高的功率密度（高达60%),可为多个器件提供核心电源。

MPS近期在电源领域推出了哪些重点产品？

卢平：我现场带了三款有特点的产品可以让大家有一个直观认识：

MPM3695-100: 单模块输出100A，带PMBUS接口，可以直接并联到800A，每通道均流。提供给工程师一个灵活的设计。

MP2940A: INTEL IMVP9 ICELAKE 参考设计，3相控制器，支持phase shedding，高开关频率（2MHz），PANR(降噪)，而MP2940A的下一代支持PFO。

这个示例可以进行可扩展的模块，每个电源模块可以达到100A，最大可以达到800A，电源工程师可以根据实际需求来进行设计。

2020年，MPS在主要业务线的增长目标是怎样的？

卢平：MPS 在6月15日刚刚发布了2020年第一季度的财报，第一季度同比增长了17.4%，在总体大环境疲软的情况下，MPS还是取得高速增长。最主要的增长动力来源于计算和通讯。通讯包括交换机、光纤通信、5G基站，连接加速趋势明显。

5G宏基站或是小基站是大家最直接想到的；实际上在5G这座冰山下面，还藏着很多其他的应用。因为5G的速率上升，5G相关的其他基础设施如光模块，前传-中传-后传的光模块的速率提升了，5G连接到骨干网的交换机的速率也更快了，数据中心也需要扩容，另外5G也带来更多的边缘计算需求，这一系列的产品都需要升级。MPS在这些应用领域耕耘多年，我们始终以更高效率更高集成度电源为目标，支持比特率和算力的升级。

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