電源模塊創(chuàng)新 解決系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5個(gè)痛點(diǎn)

隨著5G、AI、數(shù)據(jù)計(jì)算等終端系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，對(duì)電源模塊的需求不斷增長(zhǎng)，但同時(shí)其面臨的適用性挑戰(zhàn)也與日俱增。

一個(gè)顯見(jiàn)的趨勢(shì)是電源模塊每年市場(chǎng)交付量正在快速增長(zhǎng)。以智能電源模塊為例，2021年全球智能電源模塊市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到196.89億元（人民幣），預(yù)計(jì)到2027年全球智能電源模塊市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到442.96億元，在2021-2027年期間，智能電源模塊市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)估為14.47%。

為什么智能電源模塊有如此高的持續(xù)增長(zhǎng)？傳統(tǒng)上，電源模塊是將阻、容、感等被動(dòng)器件與電源IC通過(guò)PCB封裝在一起，即板級(jí)電源模塊。雖然，這種電源模塊在封裝、體積、散熱以及易用性上較分立器件有很大優(yōu)勢(shì)，但這種組裝模式的電源模塊在當(dāng)前日趨復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用中開(kāi)始出現(xiàn)一些痛點(diǎn)。MPS 電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理Roy Tu將傳統(tǒng)板級(jí)電源應(yīng)用的痛點(diǎn)總結(jié)為5個(gè)：

1、AI、數(shù)據(jù)計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)更大電流能力、更高功率密度解決方案的需求；

2、更緊湊的裝配空間，更苛刻的散熱條件，導(dǎo)致產(chǎn)品在追求更小體積和更好散熱之間難以取舍；

3、越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)讓供電軌數(shù)急劇增加，如何更好的布板、梳理復(fù)雜的電源層、優(yōu)化電源時(shí)序控制、優(yōu)化EMI問(wèn)題，也讓硬件工程師頭痛不已；

4、電源模塊通用性需求，為減輕供應(yīng)鏈管理難度，物料歸一化呼聲日漸增多；

5、電源模塊智能化、數(shù)字化趨勢(shì)明顯，諸如智能均流、智能并聯(lián)、在線監(jiān)控等功能，逐漸成為復(fù)雜系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)的剛需。

這些應(yīng)用上的痛點(diǎn)，也對(duì)電源模塊在性能上的提升提出了新的課題。Roy Tu表示，目前電源模塊首先要滿足系統(tǒng)對(duì)更大的電流、更高的功率密度和更小的體積的要求，這一過(guò)程中，散熱是一個(gè)大問(wèn)題，因此需要新的封裝工藝來(lái)解決。同時(shí)，數(shù)字監(jiān)控的需求越來(lái)越多，包括對(duì)模塊的功率、溫度、工況、告警等進(jìn)行監(jiān)控。而隨著 FPGA、ASIC、以及其他集成板卡的快速增長(zhǎng)，多路集成的供電需求也越來(lái)越大，這對(duì)電源模塊的 EMI、通道和通道之間的串?dāng)_等提出挑戰(zhàn)。此外，電源模塊的通用性趨勢(shì)越來(lái)越明顯，以滿足歸一化物料選型，少量物料覆蓋更多的應(yīng)用需求，以及多路并聯(lián)等需求。

另一個(gè)重要的趨勢(shì)是智能化，滿足負(fù)載端智能分配、數(shù)字接口和智能監(jiān)控、防呆設(shè)計(jì)和智能檢測(cè)，以及智能保護(hù)和協(xié)議響應(yīng)方面的需求，這也對(duì)模塊晶圓的設(shè)計(jì)提出了要求。

總得來(lái)看，小體積、高效散熱、可擴(kuò)展性、可兼容性和智能化是目前系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)對(duì)模塊電源的核心需求，針對(duì)這些，MPS最近推出了幾組產(chǎn)品，可以說(shuō)精準(zhǔn)覆蓋到上述痛點(diǎn)。根據(jù)MPS提供的資料，<響指>按照特征進(jìn)行了整理，詳見(jiàn)下表。

表：MPS最新電源模塊產(chǎn)品

據(jù)Roy Tu介紹，在提高功率密度上，MPS主要是從封裝工藝著手進(jìn)行優(yōu)化。例如MPM54522/54322兩個(gè)模塊，采用3D封裝工藝，模塊可以更貼近負(fù)載芯片，減少了寄生阻抗。該工藝使得模塊外形設(shè)計(jì)可以更靈巧，多路輸出也更靈活方便，其并聯(lián)功能可以增加模塊的輸出能力，并且3D封裝也大幅減小了模塊的占板面積。

圖：典型3D封裝示意圖

在解決散熱問(wèn)題上，以MPM54524和MPM82504E為例，前者是電感&晶圓整體散熱模式，后者集成了散熱器。Roy Tu介紹，新器件采用了特殊的3D封裝工藝，將本體溫度較低、導(dǎo)熱性能較好的金屬粉末電感層疊安裝在晶圓上方。由于電感磁芯導(dǎo)熱系數(shù)高，因此能有效幫助晶圓散熱，從而消除整個(gè)模塊中的散熱瓶頸，使模塊整體發(fā)熱均勻、減輕系統(tǒng)級(jí)散熱壓力。在此基礎(chǔ)上，單顆多路輸出的PMIC晶圓配合多顆電感的3D封裝方式，更能把散熱優(yōu)勢(shì)推向極致。此外，針對(duì)大電流產(chǎn)品，新器件在模塊內(nèi)部晶圓上增加了高導(dǎo)熱系數(shù)的散熱零件，因而有效的消除了晶圓散熱的瓶頸。

圖：電源模塊3D封裝三熱仿真

圖：電源模塊加強(qiáng)散熱型設(shè)計(jì)仿真

在電源模塊應(yīng)用中，對(duì)多路輸出及負(fù)載智能分配的需求，主要是解決在一些板卡或者其他系統(tǒng)組件熱插拔操作中一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題，即由于來(lái)自不同供應(yīng)商的熱插拔組件中供電負(fù)載不確定性太大，前級(jí)供電系統(tǒng)不得不添加較多的被動(dòng)器件，用來(lái)支持不同的負(fù)載需求。Roy Tu表示，MPM54313可以有效地解決此類問(wèn)題。其三路輸出降壓電源模塊，每路輸出電流3A，獨(dú)立供電。熱狀態(tài)下輸出通道間短接時(shí)，模塊內(nèi)部的負(fù)載智能分配電路可迅速實(shí)現(xiàn)在線負(fù)載均流，支持9A輸出。此外該電源模塊的數(shù)字接口能實(shí)時(shí)反饋供電電壓、電流、溫度、告警等監(jiān)控信息，減少供電端口外圍監(jiān)控電路設(shè)計(jì)。在使用智能電源模塊方案后，供電端口的體積和成本大大降低。

圖：智能光模塊端口供電方案

除了上述特性，數(shù)字監(jiān)控、上位機(jī)輔助調(diào)試、EMI優(yōu)化等MPS電源模塊的特點(diǎn)也在新器件中延續(xù)，例如MPM3596，其數(shù)字監(jiān)控功能得益于MPS晶圓設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)積累，能提供模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、開(kāi)發(fā)調(diào)試、數(shù)字配置保存及導(dǎo)入等一系列功能。

圖：數(shù)字化上位機(jī)輔助調(diào)節(jié)界面

圖：MPM3596的 EMI輻射測(cè)試曲線

而EMI設(shè)計(jì)優(yōu)化方面，具體做法包括：通過(guò)器件3D布局，減少SW Copper的天線效應(yīng)；通過(guò)多路集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電磁干擾的實(shí)時(shí)補(bǔ)償；基板設(shè)計(jì)上，在功率平衡流動(dòng)和過(guò)孔通流方面做文章，優(yōu)化磁場(chǎng)分布來(lái)約束電磁輻射；通過(guò)抖頻功能，幫助EMI頻段薄弱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量分散，減小輻射峰值。