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紧跟市场趋势,MPS多路电源模块直面各类挑战

2022-12-23
作者:王洁
来源:电子技术应用
关键词: MPS 电源模块

随着5G和AI的发展,电源模块市场增长强劲。预测数据显示,到2024年仅二次电源模块的市场规模有望从2020年的2亿美元增长到近10亿美元。其中需求增长主要会来自5G通信基础设施、AI数据中心、超算等应用领域。

电源模块的优势

电源模块相比分立器件有几大优势:一是开发周期缩短。传统的分立方案电源设计中,从芯片选型到被动元器件计算和选择等过程就需要至少2周,复杂设计甚至需要到3个月的时间;接下来是较为复杂的原理图和Layout设计、 回板调试验证等,这些工作都需要大量的时间。电源模块产品的特性就是高度集成的,可以给客户省去大量前期选型、验证的时间,并能帮助客户减少原理图和Layout的耗时;据MPS的经验,使用电源模块会比分立方案减少多达70%的设计时间。



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电源模块缩短开发周期(图源:MPS公司)

二是体积和散热优势,电源模块可通过3D堆叠的方法,将电感与IC封装在同一块XY区域内,以节省1/3-1/2的PCB板占板空间。


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电源模块的体积和散热优势(图源:MPS公司)

决定木桶水量的是桶上最短的木板,而决定电源系统散热能力的,则是发热量最大的部件。通过3D堆叠技术,可对电感进行特殊处理,有效消除芯片的发热瓶颈,提高整个方案的散热能力。

管脚设计上,电源模块的功率路径设计也更为优化,使得功率回路最短、也能够进一步提高诸如EMI之类的客户更关心的性能。

市场增长带来的五大挑战

市场需求增长的同时给电源模块带来了新的挑战。MPS电源模块产品线经理Roy Tu总结为五个方面:

其一,功率密度和模块体积要求越来越严格。随着OAM标准的演进,整个单元中电源方案需要和计算系统方案会深度集成,进一步带来了更严苛的挑战:处理单元的功率需求更高,从600W到1kW,甚至朝着2kW迈进;处理器电流则从几百安培增加到1000安培,甚至是2000安培及以上;随着负载功率增加,90%以上效率已是这类需求的家常便饭;而功率需求增加,整个单元的占板面积客户要求反而要越来越小。

其二,散热的难题。以典型的基站发射杆塔为例,几乎凑齐了所有严苛的散热条件:基站地域分布广,环境温度过高;5G杆塔AAU单元集成度高,但铜铝散热器没有空气流动、全部依靠散热器与环境空气热交换;数据通信流量暴增,5G杆塔功率负载增大,发热源更大。

其三,更多的输出电压轨。由于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,通道间的电磁兼容问题也会突出。

其四,通用性挑战。不同负载对供电电压要求差别很大,客户需要一种能够兼顾不同电压需求的产品;不同应用的供电电源负载需求千差万别,需要能用尽可能少的物料来覆盖尽可能广的负载电流范围;很多硬件设计中,负载对供电电压要求较宽,负载电流实际大小也与工作环境强相关,需要灵活地应对设计中的冗余需求,尽可能让芯片运行在性价比最好的工作段;终端产品硬件不断迭代下,电源工程师需要拥有足够的可扩展能力的方案。

其五,智能化的挑战。一些复杂的充电系统会有各种Type-C、MCU通讯、辅助电源等需求,需要用更少的芯片完成更多的智能功能。例如,负载会突变的应用,如何智能动态分配负载;在需要智能充电的应用场景,如何识别BMS提供过来的信息;又如一些ASIC、FPGA通讯类的应用需要严格根据负载进行电源调节,如何智能跟踪负载需求,就需要在负载端实现在线智能分配、数字接口、智能监控、防呆设计、智能检测等。

MPS多路电源模块

针对实际应用中的各种挑战,作为在电源模块领域领先的半导体公司,MPS认为,多路电源模块可以有效应对,并会成为未来发展的重要方向。

Roy Tu表示,多路电源模块有四点优势:第一,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;第二,多路输出模块更方便从整体来设计电源的散热方案;第三,由于集成在一起,使用了同一个控制的大脑,就比较容易识别每一路输出的这一个状态,可以实现智能化配置;第四,多路输出模块有更好的EMI性能。


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MPM54322和MPM54522(图源:MPS公司)

MPS推出的MPM54322和MPM54522是两款比较优秀的高功率密度的3D封装电源模块,输入电压范围从 2.85V 到 16V,输出电压范围从 0.4V 到 3.8V。其中MPM54322支持双路 3A,并联可实现 6A 输出; MPM54522则可支持双路 6A,并联可实现 12A 输。两款芯片都支持双路远端采样,实现高精度电业控制;支持双相自动交错并联,减少纹波幅值;具备COT控制,可实现快速负载响应;并且灵活配置了数字接口和模式选择功能。同时,5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的极小尺寸,适合PCB布局空间极为狭小的应用场景,如AI加速卡供电以及光模块等。


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MPM54524(图源:MPS公司)

MPM54524是业界超小的20A 电源模块,尺寸仅有8mmx8mmx2.9mm,与此同时散热性能优于同性能的分立器件解决方案。模块采用了创新的ECLGA封装,在12V转3.3V应用下,满载效率大于90%,峰值效率可达92.3%。另外,该模块可支持四路单相5A输出,或双相并联输出两路10A,还可支持三相并联15A和四相并联20A,极大减小了中、大电流应用场景下的开关损耗。


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MPM82504E(图源:MPS公司)

MPM82504E集成了散热器,通过内部增加散热器,可支持四路25A输出;可集成I2C数字接口,支持多相并联,一些需要更大电流的应用场景,可将MPM82504E并联在一起,做到6路并联、7路并联或8路并联等,最大可通过8颗MPM82504E并联扩展至800A的负载能力;同时COT提供快速的动态响应,4相交错的内部配置也提供了更小的波纹输出,与竞品相比,同样的输出纹波和跳变性能下,可以节省约一半的输出电容。

在一些板卡或者其他系统组件热插拔操作中,由于来自不同供应商的热插拔组件中供电负载不确定性太大,前级供电系统不得不添加较多的被动器件,用来支持不同的负载需求。MPM54313具备智能负载分配功能的电源模块,能干净清爽地解决此类问题。


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MPM54313(图源:MPS公司)

MPM54313三路输出降压电源模块,每路输出电流为3A,且各路独立供电。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。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。实际使用中,MPM54313可节省65%的板上空间,节省60%的BOM成本,提高1%~2%的转换效率。

传统多路供电应用中,芯片数量繁多,不同客户PCB布板水平参差不齐,导致不同设计下EMI的性能差异巨大。MPM3596针对这些痛点优化,实现优异的EMI性能。


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MPM3596(图源:MPS公司)

MPM3596通过器件3D布局,减少SW Copper的天线效应;MPS多路集成化设计,可在电源内部实现电磁干扰的实时补偿;基板设计上,通过优化磁场分布约束电磁辐射;抖频功能够帮助EMI频段薄弱点实现能量分散,减小了辐射峰值。

此外,在客户ADC不够用但又不愿意额外增加一块ADC芯片时,MPM3596还能够临时将一颗IO口配置为ADC输入,对一些信号做ADC解析。


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MPS电源模块发展路径图(图源:MPS公司)

从MPS公开的电源模块发展路径图可以看到,MPS可以覆盖从6V到75V广泛的电源模块产品,包括车规级产品;同时,在高压45V~75V方面的产品相对少一些。Roy Tu表示,MPS未来将在更高的输入电压和更大的输出电流方向进一步拓展。


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