5G/AI/HPC推動(dòng)下，板級(jí)電源模塊市場(chǎng)升溫

從2020年開(kāi)始，市場(chǎng)對(duì)DC-DC電源模塊（包括板塊電源和POL電源等）的需求量增長(zhǎng)非常迅速。有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，其市場(chǎng)容量將從2020年2億美元的小眾市場(chǎng)，逐步成長(zhǎng)至2024年10億美元的較大市場(chǎng)。如果包含廣義上集成電感的Power Block和一些特種應(yīng)用的需求，整個(gè)電源模塊市場(chǎng)的需求量會(huì)更大。

圖 | 模塊市場(chǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)

比如，今明兩年，5G市場(chǎng)出貨量增長(zhǎng)就相當(dāng)可觀，主要集中在是5G基站、5G中回傳相關(guān)的路由設(shè)備、交換設(shè)備、光模塊級(jí)相關(guān)板卡設(shè)備等。而明后兩年，隨著AI、大數(shù)據(jù)、HPC等應(yīng)用的迅猛發(fā)展，大電流和高功率密度模塊、高能量密度的Power Block模塊也將會(huì)迎來(lái)爆發(fā)式的需求增長(zhǎng)。

圖 | 功率密度/體積成為電源模塊設(shè)計(jì)廠商的重要挑戰(zhàn)之一

市場(chǎng)機(jī)遇往往伴隨著各種各樣的挑戰(zhàn)，就電源模塊而言，功率密度和模塊體積的要求越來(lái)越嚴(yán)格，以OAM數(shù)據(jù)處理單元為例，單板上處理器的需求功耗達(dá)到了600W，已經(jīng)遠(yuǎn)超之前的單顆電源模塊的輸出功率，未來(lái)可能還會(huì)朝著1kW，甚至2kW邁進(jìn)，與此同時(shí)，處理器電流將從幾百安培增加到1,000安培，甚至2,000安培及以上。而隨著負(fù)載功率增加，客戶電源模塊的效率越來(lái)越高，整個(gè)單元的占板面積越來(lái)越小，當(dāng)前90%以上的效率已經(jīng)是這類(lèi)需求的家常便飯。這些矛盾點(diǎn)對(duì)電源模塊廠家來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

圖 | 散熱成為電源模塊設(shè)計(jì)廠商的重要挑戰(zhàn)之一

除了功率和體積外，散熱同樣成為重要的挑戰(zhàn)之一。以通信基站為例，我們知道，基站分布的地域非常廣，在一些比較嚴(yán)苛的環(huán)境下會(huì)面臨極度高溫，而環(huán)境溫度過(guò)高，本身就是系統(tǒng)散熱的最大敵人；再加上隨著5G桿塔的推廣，特別是AAU單元的集成度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的風(fēng)扇散熱被淘汰，在桿塔上，銅鋁散熱器的散熱方案成為主流，這種沒(méi)有空氣流動(dòng)、全靠散熱器與環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換的散熱方式，成為每個(gè)廠家系統(tǒng)工程師的噩夢(mèng)；此外，隨著數(shù)據(jù)通信流量的暴增，也會(huì)讓5G桿塔的功率負(fù)載快速增長(zhǎng)，這也意味著發(fā)熱源會(huì)更大。這些都會(huì)倒推成為每個(gè)電源廠家的難題。

圖 | 智能化成為電源模塊設(shè)計(jì)廠商的重要挑戰(zhàn)之一

以上是大功率的場(chǎng)景，對(duì)于通用FPGA或者專用ASCI芯片的供電需求又呈現(xiàn)出另一番現(xiàn)象。比如在AI加速卡、超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算單元、5G設(shè)備中專用的ASCI數(shù)據(jù)處理接口芯片以及一些工業(yè)測(cè)試機(jī)或者工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的供電中，它們的特點(diǎn)是電源負(fù)載數(shù)量越來(lái)越多，不同的電壓軌越來(lái)越多，電源通道數(shù)量增加，開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)序日漸嚴(yán)格，通道之間的電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越突出。同時(shí)，在一些ASIC芯片、FPGA通訊應(yīng)用中，嚴(yán)格需要根據(jù)負(fù)載的實(shí)際工作情況來(lái)調(diào)節(jié)電源，這就要求電源模塊做到負(fù)載端的在線智能分配、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)和一些特殊私有化協(xié)議的響應(yīng)等。因此，給這類(lèi)型多通道負(fù)載設(shè)計(jì)出可靠、智能供電的方案，也是被擺在電源工程師面前的挑戰(zhàn)之一。

綜上，根據(jù)應(yīng)用的不同，供電電源的負(fù)載需求千差萬(wàn)別，面對(duì)不同的負(fù)載，供電電壓要求差別也很大，而供應(yīng)鏈工程師做電源物料管理時(shí)卻幻想“一顆芯片包打天下”。面對(duì)該矛盾，電源設(shè)計(jì)工程師試圖通過(guò)冗余設(shè)計(jì)和足夠的可擴(kuò)展功能，來(lái)滿足更多條件下的需求，并確保設(shè)計(jì)方案具有一定的繼承性。

因此，MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞認(rèn)為，多路化的電源是未來(lái)發(fā)展的重要方向之一。

“因?yàn)槎嗦份敵龅哪K，加上3D封裝，能夠顯著地提高電源的功率密度，同時(shí)更方便散熱方案的整體設(shè)計(jì)，從整體上提升電源的散熱性能。其次，多路輸出的模塊使用了同一個(gè)控制大腦，比較容易識(shí)別每一路輸出的狀態(tài)，更有利于實(shí)現(xiàn)通道之間的智能化配置。最后，多路輸出的模塊擁有更好的EMI性能。” 涂瑞解釋道。

在這樣的大背景下，我們看到MPS推出的MPM54322和MPM54522是兩款比較優(yōu)秀的高功率密度的3D封裝電源模塊。其中MPM54322支持雙路 3A，并聯(lián)可實(shí)現(xiàn) 6A 輸出； MPM54522則可支持雙路 6A，并聯(lián)可實(shí)現(xiàn) 12A 輸。5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的極小尺寸，讓這兩款模塊在AI加速卡供電以及光模塊等PCB布局空間極為狹小的應(yīng)用場(chǎng)景中大顯身手。

• 優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)的多路電源模塊模塊

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

• 特殊的3D封裝，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。電感磁芯導(dǎo)熱系數(shù)高，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。
• 針對(duì)大電流產(chǎn)品，在模塊內(nèi)部晶圓上增加高導(dǎo)熱系數(shù)的散熱零件，也是有效消除晶圓散熱瓶頸的方式。

MPS推出的業(yè)界體積超小的20A電源模塊MPM54524是優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)的一個(gè)典型例子。它采用了ECLGA封裝，體積壓縮到8mmx8mmx2.9mm，與此同時(shí)散熱性能優(yōu)于同性能的分立器件解決方案。此外在12V轉(zhuǎn)3.3V應(yīng)用下，滿載效率大于90%，峰值效率可達(dá)92.3%。另外，該模塊可支持四路單相5A輸出，或雙相并聯(lián)輸出兩路10A，還可支持三相并聯(lián)15A和四相并聯(lián)20A，極大減小了中、大電流應(yīng)用場(chǎng)景下的開(kāi)關(guān)損耗。

• 多路輸出及負(fù)載智能分配的電源模塊

在一些板卡或者其他系統(tǒng)組件熱插拔操作中，常常會(huì)遇到一種頭疼的場(chǎng)景：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。我們來(lái)看交換機(jī)中光模塊端口供電的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：

圖 | 傳統(tǒng)光模塊端口供電方案

各型光模塊協(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。這樣定義的初衷，是由于光模塊接收端、發(fā)射端對(duì)電源噪聲較為敏感，獨(dú)立供電能盡可能將電源噪聲隔離，提高光模塊傳輸性能。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，于是在很多光模塊設(shè)計(jì)中會(huì)在內(nèi)部將3路走線連接在一起。這樣，光模塊端口在插入不同廠家生產(chǎn)的光模塊時(shí)，會(huì)有兩種可能性：3路3.3V獨(dú)立供電，或者3路3.3V被短接在一起集中供電。傳統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)，是通過(guò)單顆大電流電源得到3.3V電壓后，經(jīng)過(guò)一系列負(fù)載開(kāi)關(guān)、LC濾波電路將電壓軌相對(duì)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(huì)隨之飆升。

MPS推出具備智能負(fù)載分配功能的電源模塊MPM54313則能干凈清爽地解決此類(lèi)問(wèn)題。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，供電端口體積和成本大大降低：

圖 | 智能光模塊端口供電方案

• 多路電源模塊EMI優(yōu)化及數(shù)字監(jiān)控功能

在MPS多路輸出電源模塊家族中，除前文提及的各種獨(dú)門(mén)秘技外，數(shù)字監(jiān)控、上位機(jī)輔助調(diào)試、EMI優(yōu)化等家族式特點(diǎn)更推動(dòng)電源模塊產(chǎn)品成為硬件工程師們的首選。

圖 | 數(shù)字化上位機(jī)輔助調(diào)節(jié)界面

圖 | 某型多路輸出電源模塊EMI輻射測(cè)試曲線

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。而EMI設(shè)計(jì)方面，通過(guò)器件3D布局，減少SW Copper的天線效應(yīng)；多路集成化設(shè)計(jì)則可以實(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；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。

在電源模塊應(yīng)用領(lǐng)域，MPS優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，可以幫助客戶成功、快速地開(kāi)發(fā)安全、智能、可靠的解決方案。作為一家全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商，MPS憑借敏銳的洞察力和優(yōu)秀的模塊設(shè)計(jì)，可以滿足復(fù)雜多變的供電需求，助力客戶創(chuàng)造更大產(chǎn)品價(jià)值。