多路輸出+3D封裝，MPS智能高功率密度電源模塊

據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，電源模塊的增強(qiáng)勢頭強(qiáng)勁。2020年電源模塊（不包括一次電源模塊）的市場規(guī)模為2億美元，但到2024年將達(dá)到近10億美元。主要推動力來自5G和AI計(jì)算兩大應(yīng)用方向：今明兩年，5G基站、5G中回傳相關(guān)路由設(shè)備、交換設(shè)備、光模塊級相關(guān)板卡設(shè)備，是模塊電源較大的出貨對象；明后兩年，隨著AI大數(shù)據(jù)領(lǐng)域、超算等應(yīng)用的迅猛發(fā)展，大電流和高功率密度模塊、以及高能量密度的電源磚模塊也將會迎來爆發(fā)式需求增長。

電源模塊相比分立元器件方案有著諸多優(yōu)勢，但同時(shí)新的應(yīng)用需求也給電源模塊提出了新的挑戰(zhàn)。如何應(yīng)對這些挑戰(zhàn)？近日，MPS召開了電源模塊媒體溝通會，MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞（ RoyTu）針對相關(guān)話題進(jìn)行了精彩的分享。

圖：MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞（ RoyTu）

電源模塊相比分立器件方案的優(yōu)勢

其實(shí)電源模塊的定義非常廣泛，但像簡單的220V交流轉(zhuǎn)48V的通信電源模塊這種一次電源模塊，更不在我們的討論之列。但我們今天討論的電源模塊是板磚電源模塊的形態(tài)，主要是一些二次電源，甚至是一些POL的電源模塊。這種電源模塊的產(chǎn)品形態(tài)和芯片是非常接近的，也是芯片廠商尤為關(guān)注的重點(diǎn)產(chǎn)品。

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，二是體積和散熱優(yōu)勢。傳統(tǒng)的分立方案電源設(shè)計(jì)中，從芯片選型、到被動 元器件計(jì)算和選擇等等過程就需要至少2周，復(fù)雜設(shè)計(jì)甚至需要到3個(gè)月的時(shí)間；接下來是較為復(fù)雜的原理圖和Layout設(shè)計(jì)、 回板調(diào)試驗(yàn)證等，這些工作都需要大量的時(shí)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(yàn)證的時(shí)間，并能幫助客戶減少原理圖和Layout的耗時(shí)；據(jù)MPS多年的客戶支持經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)看，使用電源模塊會比分立方案減少多達(dá)70%的設(shè)計(jì)時(shí)間。

在體積方面，在高度集成的電源模塊中，可以通過各種3D堆疊的方式，將電感本體和IC本體封裝在同一塊區(qū)域內(nèi)，從而大量減少平鋪面積，為客戶時(shí)間少1/3～1/2的PCB面積。在散熱方面，晶圓的散熱往往是整個(gè)電源方案的瓶頸。而MPS通過3D堆疊的方式，將晶圓的散熱通過電感本體和表面進(jìn)行加強(qiáng)散熱，從而有效解決發(fā)熱問題。

除此外，電源模塊的管腳可以針對客戶的應(yīng)用做出優(yōu)化，配合實(shí)現(xiàn)客戶方案中更短的功率路徑設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步提高EMI等性能。

新興應(yīng)用給電源模塊帶來的挑戰(zhàn)

本文開頭已經(jīng)提到，5G和AI的普及將會大大推動電源模塊的市場增長。但同時(shí)新興應(yīng)用方向也給電源模塊帶來了新的挑戰(zhàn)。據(jù)涂瑞總結(jié)，挑戰(zhàn)主要來自五個(gè)方面：高功率密度、散熱、數(shù)字化多路化、通用性和智能化，接下來為大家一一展開進(jìn)行解讀。

第一個(gè)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。舉例來看，當(dāng)前一個(gè)OAM數(shù)據(jù)處理單元的需求功耗就達(dá)到了600W，已經(jīng)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的單顆電源模塊的輸出功率，兩者在體積上有著巨大的差異。此外隨著OAM標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，整個(gè)單元中電源方案需要和計(jì)算系統(tǒng)方案會深度集成，進(jìn)一步帶來了更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)：處理單元的功率向著1kw乃至2kw邁進(jìn)；處理器電流從幾百安增加到一千甚至兩千安培；負(fù)載效率要求達(dá)到90%以上；占板面積要求越來越小。

第二個(gè)挑戰(zhàn)來自散熱。例如在一些基站的發(fā)射桿塔上，電源模塊的散熱難度極高。首先基站分布位置不定，在某些炎熱無風(fēng)地區(qū)安裝的基站，本身電源模塊的散熱就非常困難。其次隨著AAU單元集成度提高，傳統(tǒng)散熱風(fēng)扇被銅鋁散熱器取代；但這種僅通過空氣熱交換的散熱方向在炎熱氣候并不理想。第三，隨著數(shù)據(jù)通信流量的暴增，也會讓5G桿塔的功率負(fù)載快速增長，這也意味著發(fā)熱源會更大。

第三個(gè)挑戰(zhàn)是數(shù)字化、多路化的需求增多。除了CPU外，像通用FPGA、DPU、專用ASIC芯片等的供電需求也越來越多。這種多通道負(fù)載的供電給電源工程師提出了新的要求：電源負(fù)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(jī)時(shí)序也日漸嚴(yán)格；供電通道多，通道之間的電磁兼容問題也會更加突出。

第四個(gè)挑戰(zhàn)是通用性。不同的負(fù)載對于供電電壓的要求自然是不同的。但客戶期望能有一種電源芯片或者模塊，能兼顧各種不同的電壓需求；用盡可能少的物料，來覆蓋盡可能廣的負(fù)載電流范圍。另外客戶也期望一種電源方案能提供足夠的可擴(kuò)展功能，滿足終端產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)不斷迭代過程中，新增的電源負(fù)載需求。

第五個(gè)挑戰(zhàn)是智能化的需求。例如智能多路分配、智能識別系統(tǒng)工況、智能識別插入設(shè)備、動態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)載等等。要通過盡可能少的芯片，來滿足客戶整個(gè)系統(tǒng)方案的供電需求和智能化的要求。

多路輸出+3D封裝，實(shí)現(xiàn)智能化、高功率密度的電源模塊設(shè)計(jì)

為了應(yīng)對以上電源模塊的挑戰(zhàn)，MPS采用了多路輸出的設(shè)計(jì)+3D封裝。據(jù)涂瑞介紹，采用這種方式能夠顯著地提高電源的功率密度，并且多路輸出模塊更利于系統(tǒng)整體的散熱性能。此外，多路輸出的模塊都使用了同一個(gè)控制的大腦，更有利于實(shí)現(xiàn)通道之間的智能化配置。最后，多路輸出的模塊它會有更好的 EMI 性能。

高功率密度和3D封裝

MPS電源模塊采用3D封裝的方式，將晶圓集成在基板內(nèi)部，然后與電感一起層疊封裝，進(jìn)一步壓縮了模塊實(shí)體的體積，提升了模塊自身的功率密度。

在系統(tǒng)方案中，如下圖所示是一種典型的高功率密度需求場景，MPS電源模塊外形設(shè)計(jì)跳出常規(guī)思路，在同樣體積前提下，壓縮模塊寬度，使其能更貼近負(fù)載芯片，這樣可以減少空間浪費(fèi)，減小寄生阻抗損耗。減少損耗同時(shí)也就能夠進(jìn)一步地提高系統(tǒng)功率密度。

涂瑞表示，3D封裝來提高功率密度，本身與多路設(shè)計(jì)無關(guān)；但是單芯片中多路集成設(shè)計(jì)，卻可以將3D封裝的優(yōu)勢發(fā)揮到更大。這兩者配合起來是比單純的3D封裝更能夠節(jié)省客戶的布板面積。

具備超高功率密度特點(diǎn)的模塊是MPM54522和MP54322，MPM54322支持雙路3A輸出，MPM54522支持雙路6A的輸出。兩顆模塊均提供快速負(fù)載響應(yīng)功能和可選LDO。

散熱優(yōu)化

一般模塊的內(nèi)部，晶圓的散熱量遠(yuǎn)高于電感，因此晶圓的散熱是模塊散熱能力的關(guān)鍵。MPS采用了一種基板嵌入式設(shè)計(jì)，晶圓被嵌入在基板里，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，有效的進(jìn)行熱交換，使電感本體和晶圓之間達(dá)到熱平衡。這樣一體化的熱設(shè)計(jì)使整個(gè)模塊中不再存在某些過熱的瓶頸，就可以從整體上提升模塊的熱性能。

針對散熱優(yōu)化的熱色模塊產(chǎn)品是MPM54524，這是當(dāng)前業(yè)界能夠輸出 20A 負(fù)載的最小封裝的模塊。該模塊支持?jǐn)?shù)字配置方式，峰值效率可以達(dá)到92.3%。

負(fù)載智能分配

光模塊端口的供電方案已經(jīng)從傳統(tǒng)走向智能，各光模塊協(xié)議定義中，將進(jìn)入光模塊金手指的3.3V供電電源分成了3路，分別給光模塊的接收端、發(fā)射端， 以及內(nèi)部邏輯控制電路供電，但實(shí)際設(shè)計(jì)中光模塊的尺寸和高頻走線極大壓縮了電源走線的空間。傳統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)是通過單顆大電流電源得到3.3V電壓后，經(jīng)過一系列負(fù)載開關(guān)、LC濾波電路將電壓軌相對獨(dú)立成3路，滿足可能出現(xiàn)的獨(dú)立/集中供電。這樣的冗余設(shè)計(jì)導(dǎo)致了供電端口體積劇增，硬件成本也會隨之飆升。

針對上述智能化的挑戰(zhàn)，可以選擇MPS的三路輸出降壓電源模塊MPM54313。該模塊每路輸出電流3A，獨(dú)立供電。此外，還可以通過數(shù)字的方法來對模塊的某一路進(jìn)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(jì)。據(jù)悉在客戶的實(shí)際使用中，選擇MPM54313可以節(jié)省65%的板上空間和60%的BOM成本，提高了1%-2%的轉(zhuǎn)換效率。

EMI優(yōu)化

傳統(tǒng)的多路供電應(yīng)用中，芯片數(shù)量繁多。不同客戶的PCB布板水平是參差不齊的，導(dǎo)致不同設(shè)計(jì)下EMI的性能差異巨大。MPS通過器件3D布局，減少SW Copper的天線效應(yīng)；多路集成化設(shè)計(jì)在電源內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電磁干擾的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。在基板設(shè)計(jì)上，MPS通過功率平衡流動和過孔通流，優(yōu)化磁場分布來約束電磁輻射；抖頻功能更幫助EMI頻段薄弱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量分散，減小了輻射峰值。

具備多路EMI優(yōu)化特色的電源模塊是MPM3596，采用了雙邊輸入電容的設(shè)計(jì)，保證輸入的功率的對稱排布。同樣該模塊也支持開關(guān)頻率可調(diào)，客戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)級的具體的EMI要求，來調(diào)整頻率輻射的峰值點(diǎn)。此外，該模塊還支持通過一顆IO口配置成ADC輸入，從而解決部分客戶設(shè)計(jì)中ADC不夠用的問題。

結(jié)語

對于電源模塊而言，把握客戶的需求可能并不難，但要實(shí)現(xiàn)高功率密度的目標(biāo)，模塊設(shè)計(jì)和封裝創(chuàng)新都非常關(guān)鍵，這種能力需要非常深厚的電源相關(guān)積累和非常多細(xì)節(jié)工藝上的迭代磨合。涂瑞表示，高壓、大電流、 高功率密度是MPS電源模塊不會變的發(fā)展方向，而在這個(gè)框架內(nèi)，MPS會更注重?cái)?shù)字功能和智能化功能的創(chuàng)新。