MPS发布电源模块新趋势，加速未来电源设计

为什么会使用电源模块？不同的人有不同的答案。

“MPS开发电源模块的初衷是为了提供更简单、更易用、更高可靠的产品。通过这样的方法，来压缩客户硬件开发周期，减少PCB设计中反复迭代而产生的研发资源浪费。”12月6日，随着Monolithic Power Systems, Inc.(MPS)电源模块产品线上媒体发布会成功举办，MPS又一次引发了业界的广泛关注。

相对于分立器件方案，电源模块的突出优势是电路简单、体积小和散热优，这也是越来越多人选择模块产品的重要原因。“从过去的客户支持的经验来看，使用电源模块会比传统的分立方案减少多达70%的设计时间。”MPS电源模块产品线经理涂瑞进一步解释：“从体积上来看，通过各种3D堆叠的方法，将电感本体和IC本体封装在同一块区域内可以减少大量的平铺面积，为客户节省PCB占板空间；从散热上来看，MPS通过这种3D堆叠技术对电感进行特殊处理，将底部IC的发热通过电感本体或者表面进行加强散热，可以有效地消除解决方案中芯片的发热瓶颈，提高整个方案的散热能力；从管脚的设计上来看，电源模块的Vin、GND、Vout功率路径设计，可以针对客户不同的应用做出更优化的管脚布局，使得功率回路最短，也能够进一步提升诸如EMI的性能。”

电源模块面临的困难与挑战

从2020年开始，电源模块的需求量增长非常迅速，特别是5G基站、5G中回传相关的路由设备、交换设备、光模块级相关板卡设备。并且随着AI大数据领域以及超级计算机或者超级计算单元等应用的迅猛发展，大电流和高功率密度模块以及高能量密度的电源模块也将迎来爆发式的需求增长。

那么我们将会遇到什么样的困难和挑战呢？

涂瑞指出，电源模块设计中面临的首要挑战是功率密度和模块体积的要求越来越严格。电源方案和计算系统方案深度集成，进一步带来了更严苛的挑战：1.处理单元的功率需求更高，从600W到1kw，甚至朝着2kw迈进；2.处理器电流更大，从几百安培增加到1千安培；3.随着负载功率增加，客户对效率的要求也会更高，90%以上的效率已经是这类需求的家常便饭；4.更令人头疼的是，功率需求增加，整个单元的占板面积反而要求越来越小。所以这些矛盾点构成了对电源模块厂家的巨大挑战。

除了功率和体积方面的挑战，在散热上也会遇到很多的挑战。比如现在常见的基站的发射杆塔，杆塔上的设备对电源的需求几乎凑齐了所有严苛的散热条件：高温、无风、热源。

而且在越来越多的应用领域，涉及到通用FPGA或者专用ASCI芯片的供电需求越来越多。比如有各种AI加速卡之类的供电、有超级计算机的计算单元的供电，有5G设备中专用的ASCI数据处理接口芯片的供电，还有一些工业测试机或者工业自动化设备中供电。这些FPGA的负载，都有着相似特点：1.电源负载数量越来越多，不同的电压轨越来越多；2.电源通道数量增加，开关机时序也日渐严格；3.供电通道多，通道之间的电磁兼容问题日渐突出。

从供应链角度来讲，供应链工程师做电源物料管理时，或多或少都希望用一颗芯片来完成尽可能多的设计。但是如何解决这些问题是电源工程师和芯片厂商共同的追求：1.不同的负载，对供电电压要求差别很大，甚至还会要求在某个基准电压附近做动态调节；2.应用不同，供电电源的负载需求也千差万别；3.设计冗余难定；4.设计方案继承。

另外一个方面，我们还面临着智能化的问题。我们怎么样来智能地跟踪负载的需求呢？这就需要我们做到：1.负载端在线智能分配；2.数字接口和智能监控；3.防呆设计和智能检测；4.智能保护和一些特殊私有化协议的响应。

MPS的设计“芯”思路

涂瑞认为，多路电源模块是未来发展的一个很重要的方向。因为多路输出的模块，加上3D封装，能够显著地提高电源的功率密度。而且多路输出模块可以更方便提升电源的散热性能，有利于实现通道间的智能化配置，且有更好的EMI性能。

高功率密度和3D封装的多路电源模块

首先，我们可以从系统布局入手，使模块能更贴近负载芯片，以减小寄生阻抗损耗。减少损耗也能够进一步地提高功率密度。其次，我们把这个模块做成更灵巧的模块外形设计，灵活方便的多路输出，通过并联功能增加模块的输出能力，也是一种提高功率密度的方式。最后，也是最重要的一点是，3D封装将晶圆集成在基板内部，与电感一起层叠封装，进一步压缩模块实体的体积，提升功率密度。

值得一提的是，用3D封装来提高功率密度，本身与多路设计无关。但是单芯片中多路集成设计，却可以将3D封装的优势发挥到更大。这两者配合起来比单纯的3D封装更能够节省布板面积。

对应产品方面，MPS新推出的双路输出系列的电源模块——超高功率密度的MPM54522/MPM54322。这两款芯片的输入电压范围都是2.85V-16V，输出电压范围是0.4V-3.8V，输出电流可支持双路，提供可选的LDO的功能。封装尺寸非常小，MPM54522是 5x6.5x2.9mm，MPM54322是5x5.5x1.8mm。两款芯片都能够支持双路远端采样功能，双相自动交错工作，快速负载瞬态，COT控制，精确的I²C遥测功能。针对于一些不太希望用数字接口的客户，MPS还提供了一些模式选择功能，通过一颗电阻可以选择7种不同的工作模式。它的应用领域也比较广泛，可应用在FPGA和ASIC电源，电信，AI和计算，PCIe加速卡，光模块，工业自动化等。

优化散热的多路电源模块

在常规的模块内部布局，模块内部的器件发热其实并不均匀，这样晶圆的温度过高就成了限制整个模块功率能力的瓶颈。针对发热晶圆和器件，MPS通过内置散热器或者3D封装可以实现热平衡。

对应产品方面，MPS有一款电感和晶圆整体散热的芯片，叫做MPM54524。它的输电压范围较宽，4V-16V 输入，同时它应用ACOT控制方式，能够实现超快速的动态响应。同时它能支持有源的双相并联，无源的双相、三相甚至是四相一起并联。同时该芯片在不并联的时候，可以变成四路分别独立的输出，分别四路独立的输出也都支持电压远端采样。同时该芯片也是一款数字模块，模块可以通过数字配置。MPS做过一些实际测试，在12V转3.3V时，MPM54524的峰值效率可以达到92.3%。它是目前业界能够输出20A负载的最小封装的模块，封装尺寸为8mmx8mmx2.9mm。

智能化多路电源模块

如今，光模块端口的供电方案已经从传统走向智能。为应对智能化的挑战，工程师可以选择MPS的三路输出降压电源模块MPM54313。该模块每路输出电流3A，独立供电。此外，该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，也能够通过数字的方法来对模块的某一路进行开通和关断的操作，减少供电端口外围监控电路设计。在使用MPM54313智能电源模块方案后，可以节省65%的板上空间和60%的BOM成本，提高1%-2%的转换效率。

多路与EMI优化

针对高集成度设计带来EMI性能优化需求，MPS采取了四大性能优化：紧凑走线---缩短SW Copper的天线效应，多路集成---实现内部电磁干扰的实时补偿，基板优化---过孔通流的磁场优化设计，抖频功能---EMI薄弱点实现能量分散。

MPM3596就是一款EMI性能卓越的电源模块。MPM3596采用双边输入电容的设计，保证输入的功率的对称排布，同样也支持开关频率可调，可根据自己系统级的具体的EMI要求，来调整频率辐射的峰值点。此外，该模块还拥有主频率拓展功能，支持通过一颗IO口配置成ADC输入，从而解决部分设计中ADC不够用的问题。

作为全球领先的高性能电源解决方案专家，MPS的系列新电源模块产品的核心竞争优势在于不仅能够提供紧凑而强悍的供电解决方案，还能减少开发成本，灵活应对不同场景和需求。MPS，让电源模块未来可期。