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。