电源模块创新解决系统硬件设计5个痛点

随着5G、AI、数据计算等终端系统复杂度的增加，对电源模块的需求不断增长，但同时其面临的适用性挑战也与日俱增。

一个显见的趋势是电源模块每年市场交付量正在快速增长。以智能电源模块为例，2021年全球智能电源模块市场规模达到196.89亿元（人民币），预计到2027年全球智能电源模块市场规模将达到442.96亿元，在2021-2027年期间，智能电源模块市场年复合增长率预估为14.47%。

为什么智能电源模块有如此高的持续增长？传统上，电源模块是将阻、容、感等被动器件与电源IC通过PCB 封装在一起，即板级电源模块。虽然，这种电源模块在封装、体积、散热以及易用性上较分立器件有很大优势，但这种组装模式的电源模块在当前日趋复杂的系统应用中开始出现一些痛点。MPS 电源模块产品线经理Roy Tu将传统板级电源应用的痛点总结为5个：

1、AI、数据计算等应用领域，对更大电流能力、更高功率密度解决方案的需求；

2、更紧凑的装配空间，更苛刻的散热条件，导致产品在追求更小体积和更好散热之间难以取舍；

3、越来越复杂的系统让供电轨数急剧增加，如何更好的布板、梳理复杂的电源层、优化电源时序控制、优化EMI问题，也让硬件工程师头痛不已；

4、电源模块通用性需求，为减轻供应链管理难度，物料归一化呼声日渐增多；

5、电源模块智能化、数字化趋势明显，诸如智能均流、智能并联、在线监控等功能，逐渐成为复杂系统供电设计的刚需。

这些应用上的痛点，也对电源模块在性能上的提升提出了新的课题。Roy Tu表示，目前电源模块首先要满足系统对更大的电流、更高的功率密度和更小的体积的要求，这一过程中，散热是一个大问题，因此需要新的封装工艺来解决。同时，数字监控的需求越来越多，包括对模块的功率、温度、工况、告警等进行监控。而随着 FPGA、ASIC、以及其他集成板卡的快速增长，多路集成的供电需求也越来越大，这对电源模块的 EMI、通道和通道之间的串扰等提出挑战。此外，电源模块的通用性趋势越来越明显，以满足归一化物料选型，少量物料覆盖更多的应用需求，以及多路并联等需求。

另一个重要的趋势是智能化，满足负载端智能分配、数字接口和智能监控、防呆设计和智能检测，以及智能保护和协议响应方面的需求，这也对模块晶圆的设计提出了要求。

总得来看，小体积、高效散热、可扩展性、可兼容性和智能化是目前系统硬件设计对模块电源的核心需求，针对这些，MPS最近推出了几组产品，可以说精准覆盖到上述痛点。根据MPS提供的资料，<响指>按照特征进行了整理，详见下表。

表：MPS最新电源模块产品

特征	型号	特性	应用
超高功率密度	MPM54522	3V 至 16V 宽输入电压 (VIN) 范围双路 6A 或单路高达12A 的并联操作切相并联运行时具备轻载高效率 MODE 引脚可通过引脚设置选择输出电压 (VOUT)、并联模式和时序可远程采样两个输出通道 VIN高达3.6V的条件下，具备可调 500mA 额定低压差 (LDO) 可调软启动、软关断和延迟，并采用 MPS FLEX-Timer 序列控制技术可调参考电压 (VREF) 和斜率可调开关频率 (fSW)：500kHz、750kHz、1MHz 或1.25MHz 精确的输出电压（VOUT）、输出电流 (IOUT) 和结温遥测开漏电源正常 (PG) 指示和一般状态中断采用超薄型 LGA (5mmx6.5mmx2.76mm) 封装	FPGA&ASIC 电信、AI、计算 PCIe加速卡光模块工业自动化
MPM54322	宽输入电压 (VIN) 范围：3V 至 16V 双路3A 输出电流，或高达 6A 的并联模式输出电流并联模式具有切相功能，可实现轻载时的高效率 MODE 引脚通过短接可选择输出电压 (VOUT)、并联模式和时序两个输出通道的远端采样可调500mA低压差 (LDO) 稳压器，输入电压可高达 3.6V 可调软启动 (SS)、软关断和延迟，具有MPS 专利 FLEX 定时器序列控制可调参考电压 (VREF) 和斜率 500kHz、750kHz、1MHz、1.25MHz 可调开关频率 (fSW) 精确的输出电压（VOUT）、输出电流 (IOUT) 和结温远端采样开漏电源正常 (PG) 指示和一般状态中断指示采用超薄 LGA (5mmx5.5mmx1.85mm) 封装
高散热性能 -电感&晶圆整体散热	MPM54524	4V 至 16V 宽输入电压 (VIN) 范围自适应恒定导通时间 (ACOT)控制可实现超快速瞬态响应通道 A/B 和通道 C/D 在并联模式下支持高达 10A 的连续输出电流 (IOUT) 可调有源负载线（下垂电阻）高达 100mΩ 差分输出电压 (VOUT) 远程采样 1MHz 默认开关频率 (fSW) 精确的输出电压（VOUT）、输出电流（IOUT）和结温 (TJ)监测开漏电源正常 (PG) 指示预偏置启动过流保护 (OCP)、欠压锁定 (UVLO) 保护、欠压保护 (UVP)、过压保护 (OVP) 和过温关断保护采用 ECLGA (8x8x2.9mm) 封装
高散热性能 -集成散热器	MPM82504E	四路25A输出，集成I2C接口，可多路并联输入电压范围：3V至16V 0.5V至1.8V时，输出电流可达25A 1.8V至3.3V输出时，输出电流可达15A 多种输出配置，可并联扩展至800A 快速瞬态响应：内部4相交错配置，ACOT可实现快速瞬态，同样的输出纹波和同样的跳变性能前提下，比竞品节省约50%的输出电容后台配置、诊断：BGA封装可增强散热性能和可靠性，数字故障报告系统，单个模块/相故障检测功能采用BGA (15x30x5.18mm) 封装
智能电源	MPM54313	4V 至 16V 宽输入电压 (VIN) 范围自适应恒定导通时间 (ACOT)控制可实现超快速瞬态响应可调下垂电流无源或有源电流平衡并联运行 500kHz 至 1000kHz 可调开关频率 (fSW) 差分输出电压 (VOUT) 远程采样精确的输出电压（VOUT）、输出电流 (IOUT) 和结温 (TJ) 监测开漏电源正常 (PG) 指示具有可调频率与电流限制的脉冲频率调制 (PFM) 和脉冲宽度调制 (PWM) 模式选项预偏置启动过流保护 (OCP)、欠压保护 (UVP)、欠压锁定 (UVLO)保护、过温关断保护和过压保护 (OVP) 采用 BGA (8mmx9mmx2.58mm) 封装
多路和EMI优化	MPM3596	4V 至 45V 的宽输入电压（VIN）范围 0.6V 至 24V 的宽输出电压（VOUT）范围输出电流 (IOUT) 范围：双路 3A 输出单路双相 6A输出可并联运行，提供高达 36A的输出电流（IOUT ）可调、恒定、150kHz 至2.2MHz 开关频率 (fSW)，具有外部时钟同步功能可选降噪、双侧输入电容和频谱扩展 (FSS) 功能，用于降低 EMI 过压保护 (OVP)、欠压保护 (UVP)、过流保护 (OCP)、欠压锁定 (UVLO) 保护和过温关断保护遥测回读 VIN、VOUT、IOUT、温度及故障数据采用 LGA-53 (10mmx10mm) 封装

据Roy Tu介绍，在提高功率密度上，MPS主要是从封装工艺着手进行优化。例如MPM54522/54322两个模块，采用3D封装工艺，模块可以更贴近负载芯片，减少了寄生阻抗。该工艺使得模块外形设计可以更灵巧，多路输出也更灵活方便，其并联功能可以增加模块的输出能力，并且3D封装也大幅减小了模块的占板面积。

图：典型3D封装示意图

在解决散热问题上，以MPM54524和MPM82504E为例，前者是电感&晶圆整体散热模式，后者集成了散热器。Roy Tu介绍，新器件采用了特殊的3D封装工艺，将本体温度较低、导热性能较好的金属粉末电感层叠安装在晶圆上方。由于电感磁芯导热系数高，因此能有效帮助晶圆散热，从而消除整个模块中的散热瓶颈，使模块整体发热均匀、减轻系统级散热压力。在此基础上，单颗多路输出的PMIC晶圆配合多颗电感的3D封装方式，更能把散热优势推向极致。此外，针对大电流产品，新器件在模块内部晶圆上增加了高导热系数的散热零件，因而有效的消除了晶圆散热的瓶颈。

图：电源模块3D封装三热仿真

图：电源模块加强散热型设计仿真

在电源模块应用中，对多路输出及负载智能分配的需求，主要是解决在一些板卡或者其他系统组件热插拔操作中一个常见问题，即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。Roy Tu表示，MPM54313可以有效地解决此类问题。其三路输出降压电源模块，每路输出电流3A，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，支持9A输出。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，减少供电端口外围监控电路设计。在使用智能电源模块方案后，供电端口的体积和成本大大降低。