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开启电源模块设计的“芯”思路

为了尽可能给客户提供更简单、更易用且可靠性更高的产品,MPS选择了电源模块而不是传统的分立方案。MPS电源模块产品线经理涂瑞指出,通过这种方法,不但能压缩客户硬件开发周期,还可以减少PCB设计中反复迭代而产生的研发资源浪费,从过去的经验看,电源模块会比分立方案减少多达70%的设计时间。

MPS电源模块产品线经理涂瑞

相比之下,传统的分立方案电源设计从芯片选型、到被动元器件计算和选择,就需要至少2周,甚至3个月的时间,这还不包括后续更为复杂的原理图和Layout设计、回板调试验证等工作。从管脚的设计上看,电源模块的Vin、GND、Vout功率路径可以针对客户应用做出相对更为优化的管脚布局,从而使得功率回路最短,进一步提高EMI性能。

此外,体积和散热优势也是客户选择模块产品的重要原因之一。在当前的电源模块中,设计人员可以通过各种3D堆叠的方法,将电感本体和IC本体封装在同一块XY区域内,从而大幅减少平铺面积,节省1/3-1/2的PCB占板空间。

涂瑞介绍称,从2020年开始,包括板块电源和POL电源在内的二次电源模块(也就是传统DC-DC电源模块产品),将成为除AC-DC之外增长最为迅速的细分市场。预计到2024年,模块电源市场规模将接近10亿美元,而在2020年,其市值仅仅只有2亿美元。如果再包含广义上集成电感的Power Block和一些特种应用需求,整个电源模块市场的需求量会更大。

预计2022-2023年,得益于5G市场庞大的出货量,5G基站、5G中回传相关的路由/交换设备、光模块级相关板卡设备,是模块电源主要的出货市场;而在2023-2024年,随着AI大数据领域、超级计算机、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Power Block模块将会迎来爆发式的需求增长。

尽管市场需求旺盛,但涂瑞也提醒业界说,高功率密度、散热、数字化多路化、通用性和智能化,正成为电源模块在新兴应用中面临的新挑战。

以某型OAM数据处理单元为例,当前的需求功耗就达到了600W,远超传统单颗电源模块的输出功率。而随着OAM标准的演进,整个单元中的电源方案和计算系统方案还会深度集成,这使得处理单元功率继续向着1kw乃至2kw迈进,处理器电流也从几百安增加到1000-2000安培,90%以上的负载效率成为家常便饭,占板面积要求越来越小。

在一些基站的发射杆塔上,电源模块的散热难度极高。首先,基站分布地域广,在某些炎热无风地区安装的基站,本身电源模块的散热就非常困难;其次,随着AAU单元集成度的提高,传统散热风扇被铜铝散热器取代,但这种仅通过空气热交换的散热方式在炎热气候中并不理想;最后,随着数据通信流量的暴增,5G杆塔的功率负载快速增长,发热源会更大。

除了CPU外,通用FPGA、DPU、专用ASIC芯片等的供电需求也越来越多。这种多通道负载的供电给电源工程师提出了新的要求,例如:电源负载数量越来越多,不同的电压轨也越来越多;电源通道数量增加,开关机时序也日渐严格;供电通道多,通道之间的电磁兼容问题也会更加突出。

不同的负载对于供电电压的要求是不同的。但客户期望能有一种电源芯片或者模块,能兼顾各种不同的电压需求;或是用尽可能少的物料,来覆盖尽可能广的负载电流范围。另外客户也期望一种电源方案能提供足够的可扩展功能,满足终端产品的硬件设计不断迭代过程中,新增的电源负载需求。

例如智能多路分配、智能识别系统工况、智能识别插入设备、动态调节负载等等,要通过尽可能少的芯片,来满足客户整个系统方案的供电需求和智能化的要求。

多路电源模块被MPS视作未来电源发展的一个重要方向,涂瑞解释说,一方面是因为多路输出模块+3D封装,能够显著地提高电源的功率密度。同时,因为多路输出模块是从整体来设计散热方案,可以从整体上提升电源的散热性能;另一方面,多路输出的模块有利于实现通道之间的智能化配置,并实现更好的EMI性能。

MPS最新推出的,具有超高功率密度的MPM54522(5×6.5×2.9mm)和54322(5×5.5×1.8mm)家族正是这样的双路输出系列电源模块。两颗产品的输入电压范围都是从2.85V到16V,输出电压范围从0.4V到3.8V;输出电流方面略有不同:MPM54522可以支持双路分别输出6A,并联可实现12A输出;MPM54322可以支持双路3A输出,并联可以实现6A输出。

针对一些客户的要求,这两颗芯片还可以提供可选的LDO功能。同时,这两颗芯片还能够支持双路分别进行远端采样,实现更高精度的电压控制。在并联的时候,芯片甚至还能支持双相自动交错并联,提高纹波频率,达到减小纹波幅值目的。

得益于COT控制和数字接口,两款芯片还能做到快速的负载响应,也可以对模块进行在线监控,读取输入电压、输出电压、输出电流、温度、各种保护告警状态等各种数据。如果用户不太希望使用数字接口,MPS还提供了模式选择功能,可通过一颗电阻提供7种不同的工作模式选项,从而大幅扩展其应用范围。常见的FPGA和ASIC电源、电信和AI加速卡里的支路接口电源、PCIe加速卡、甚至在光模块和工业自动化领域中,这些芯片都能发挥重要的作用。

为了进一步增强其散热能力,MPS在该系列产品中引入了一种基板嵌入式设计(下图中间图示)。简单而言,就是将晶圆嵌入在基板里,然后再将电感贴装在基板表面,电感和IC之间通过玻璃纤维和导热胶体实现有效的进行热交换,使电感本体和晶圆之间达到热平衡。借助这样一体化的热设计,整个设计中不再存在某些过热的瓶颈,从而可以从整体上提升模块的热性能。另一种方法则是在晶圆的顶部加装特别的金属块(下图右侧所示),能快速地将晶圆的发热传导至封装后模块表面,与散热器配合可以极大地降低晶圆的结温,进一步减少发热问题。

MPM54524就是一款利用该设计的产品。据介绍,MPM54524的输电压范围从4V至 14V再到16V,通过应用ACOT控制方式,能够实现超快速的动态响应。此外,还能支持有源的双相并联,能够自动去对负载进行一个动态分配,以及无源的双相、三相甚至是四相一起并联。

另一款集成散热器的产品MPM82504E则可以支持四路25A输出和多相并联,能够集成数字接口I2C。输出的配置模式非常灵活,既可以支持四路25A输出,也可以两两并联输出50A,或3路并联输出75A,甚至4路并联输出100A。涂瑞说,在一些需要更大电流的应用场景,可以将两颗82504并联在一起,实现6路/7路/8路并联,最大甚至可以通过8颗82504并联扩展至800A。

在负载智能分配方面,光模块端口供电方案是典型应用案例。目前来看,各型光模块协议定义中都将进入光模块金手指的3.3V供电电源分成了3路,分别给光模块的接收端、发射端,以及内部逻辑控制电路供电。但在实际设计中,光模块的尺寸和高频走线极大压缩了电源走线的空间,传统的供电设计通过单颗大电流电源得到3.3V电压后,经过一系列负载开关、LC滤波电路将电压轨相对独立成3路,满足可能出现的独立/集中供电,但这样的冗余设计导致了供电端口体积剧增,硬件成本也会随之飙升。

于是,MPS推出了具备此功能的电源模块MPM54313,其三路输出降压电源模块,每路输出电流3A且独立供电。热状态下输出通道间短接时,模块内部的负载智能分配电路可迅速实现在线负载均流,然后支持9A输出(最大可支持12A)。此外,该电源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,降低客户产品的供电端口体积和成本。

传统的多路供电应用中,芯片数量繁多,不同客户的PCB布板水平参差不齐,导致不同设计下EMI的性能差异巨大。MPS的做法首先是通过器件3D布局,减少SW Copper的天线效应;其次通过多路集成化设计,在电源内部实现电磁干扰的实时补偿。在基板设计上,MPS通过功率平衡流动和过孔通流,优化磁场分布来约束电磁辐射;抖频功能更帮助EMI频段薄弱点实现能量分散,减小了辐射峰值。

利用上述思路,MPS设计了电磁兼容性能优异的MPM3596芯片。该芯片采用了双边输入电容的设计,可以保证输入的功率能够对称排布,减少电磁波对外的辐射;同时,它也支持开关频率可调,客户可根据实际的EMI要求对芯片的开关频率进行调节;第三,该芯片还具备主动的主频率拓展功能,能将峰值EMI能量抖频到其他频段上去。数据显示,在做Class 5 RE测试时,MPM3596的辐射测试值远远小于Class 5标准。

具体性能方面,MPM3596支持超宽电压输入(3.5V-45V)与输出(0.4V-24V),单颗使用时可以工作在两路,分别输出3A或者是两路并联在一起单颗输出6A的工作模式。如果需要更大的输出电流,甚至还能够拿多颗MPM3596进行并联,非常多实现6颗并联到36A的输出。

在未来的产品规划中,涂瑞表示高压、大电流、高功率密度会是永远不会变的发展方向,而在这些发展方向的框架内,MPS会更注重电源模块的数字功能和智能化功能。

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