復(fù)雜電源系統(tǒng)中的明星： 數(shù)字化多路電源模塊將即將嶄露頭角

近幾年來(lái)，板級(jí)電源模塊產(chǎn)品呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展態(tài)勢(shì)，其集成度高、體積緊湊的優(yōu)點(diǎn)，吸引了越來(lái)越多的終端客戶選擇。而越來(lái)越多的應(yīng)用類型、越來(lái)越復(fù)雜的使用場(chǎng)景，也對(duì)電源模塊產(chǎn)品提出了更高的挑戰(zhàn)。如何達(dá)到性能最優(yōu)？如何提升用戶設(shè)計(jì)體驗(yàn)？如何增強(qiáng)可靠性？各種尖銳的問(wèn)題，促使IC電源廠商不斷追求著控制策略優(yōu)化、工藝優(yōu)化、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。MPS在電源模塊產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面有著自己獨(dú)到的理解和技術(shù)沉淀，并藉此推動(dòng)電源模塊產(chǎn)品的交付量迅猛增長(zhǎng)。

什么是板級(jí)電源模塊？答案似乎很簡(jiǎn)單：把諸如阻、容、感等被動(dòng)器件，與電源IC封裝在一起形成一個(gè)整體，這就是一個(gè)典型的板級(jí)電源模塊。但是，這樣簡(jiǎn)單將單顆IC結(jié)合被動(dòng)器件組裝出一個(gè)電源模塊，能否完全激發(fā)出性能潛力？這個(gè)問(wèn)題值得電源廠商思考。讓我們先來(lái)聚焦電源模塊應(yīng)用，甚至推廣到板級(jí)電源應(yīng)用中存在的一些痛點(diǎn)：

?    AI、數(shù)據(jù)計(jì)算等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)更大電流能力、更高功率密度解決方案的需求；
?    更緊湊的裝配空間，更苛刻的散熱條件，導(dǎo)致產(chǎn)品在追求更小體積和更好散熱之間難以取舍；
?    越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)讓供電軌數(shù)急劇增加，如何更好的布板、梳理復(fù)雜的電源層、優(yōu)化電源時(shí)序控制、優(yōu)化EMI問(wèn)題，也讓硬件工程師頭痛不已；
?    電源模塊通用性需求，為減輕供應(yīng)鏈管理難度，物料歸一化呼聲日漸增多；
?    電源模塊智能化、數(shù)字化趨勢(shì)明顯，諸如智能均流、智能并聯(lián)、在線監(jiān)控等功能，逐漸成為復(fù)雜系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)的剛需。

圖1 電源模塊的痛點(diǎn)聚焦

面對(duì)這些硬件設(shè)計(jì)中的痛點(diǎn)，多路數(shù)字電源模塊的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。除了滿足客戶常規(guī)的“小體積”需求外，其“高效散熱、可擴(kuò)展性、可兼容性、智能化”等特點(diǎn)更能給實(shí)際硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)前所未有的便捷。MPS如何將模塊做到既小又好，讓我們來(lái)一睹它們的技術(shù)細(xì)節(jié)。

?    高功率密度和3D封裝的多路模塊
?    3D封裝大幅減小占板面積，有效提高布局密度；
?    更靈巧的模塊外形設(shè)計(jì)，模塊能貼近負(fù)載端放置，減小布局帶來(lái)的線路損耗；
?    靈活方便的多路并聯(lián)模式，單一輸入源可降低布板復(fù)雜程度，進(jìn)一步減少線路損耗；
?    并聯(lián)功能增加模塊的輸出能力，更讓電路工作在多相交錯(cuò)狀態(tài)，減小模塊開關(guān)損耗

圖2 典型3D封裝示意圖

MPS推出的MPM54322和MPM54522是兩款比較優(yōu)秀的高功率密度的3D封裝電源模塊。其中MPM54322支持雙路 3A，并聯(lián)可實(shí)現(xiàn) 6A 輸出； MPM54522則可支持雙路 6A，并聯(lián)可實(shí)現(xiàn) 12A 輸。5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的極小尺寸，讓這兩款模塊在AI加速卡供電以及光模塊等PCB布局空間極為狹小的應(yīng)用場(chǎng)景中大顯身手。

?    優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)的多路電源模塊模塊

圖3 電源模塊3D封裝三熱仿真

圖4 電源模塊加強(qiáng)散熱型設(shè)計(jì)仿真

?    特殊的3D封裝，將本體溫度較低、導(dǎo)熱性能較好的金屬粉末電感層疊安裝在晶圓上方。電感磁芯導(dǎo)熱系數(shù)高，能有效幫助晶圓散熱，從而消除整個(gè)模塊中的散熱瓶頸，使模塊整體發(fā)熱均勻、減輕系統(tǒng)級(jí)散熱壓力。在此基礎(chǔ)上，單顆多路輸出的PMIC晶圓配合多顆電感的3D封裝方式，更能把散熱優(yōu)勢(shì)推向極致。
?    針對(duì)大電流產(chǎn)品，在模塊內(nèi)部晶圓上增加高導(dǎo)熱系數(shù)的散熱零件，也是有效消除晶圓散熱瓶頸的方式。
MPS推出的業(yè)界體積超小的20A電源模塊MPM54524是優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)的一個(gè)典型例子。它采用了ECLGA封裝，體積壓縮到8mmx8mmx2.9mm，與此同時(shí)散熱性能優(yōu)于同性能的分立器件解決方案。此外在12V轉(zhuǎn)3.3V應(yīng)用下，滿載效率大于90%，峰值效率可達(dá)92.3%。另外，該模塊可支持四路單相5A輸出，或雙相并聯(lián)輸出兩路10A，還可支持三相并聯(lián)15A和四相并聯(lián)20A，極大減小了中、大電流應(yīng)用場(chǎng)景下的開關(guān)損耗。

?    多路輸出及負(fù)載智能分配的電源模塊    
在一些板卡或者其他系統(tǒng)組件熱插拔操作中，常常會(huì)遇到一種頭疼的場(chǎng)景：由于來(lái)自不同供應(yīng)商的熱插拔組件中供電負(fù)載不確定性太大，前級(jí)供電系統(tǒng)不得不添加較多的被動(dòng)器件，用來(lái)支持不同的負(fù)載需求。我們來(lái)看交換機(jī)中光模塊端口供電的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：

 
圖5 傳統(tǒng)光模塊端口供電方案
各型光模塊協(xié)議定義中，將進(jìn)入光模塊金手指的3.3V供電電源分成了3路，分別給光模塊的接收端、發(fā)射端，以及內(nèi)部邏輯控制電路供電。這樣定義的初衷，是由于光模塊接收端、發(fā)射端對(duì)電源噪聲較為敏感，獨(dú)立供電能盡可能將電源噪聲隔離，提高光模塊傳輸性能。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，光模塊的尺寸和高頻走線極大壓縮了電源走線的空間，于是在很多光模塊設(shè)計(jì)中會(huì)在內(nèi)部將3路走線連接在一起。這樣，光模塊端口在插入不同廠家生產(chǎn)的光模塊時(shí)，會(huì)有兩種可能性：3路3.3V獨(dú)立供電，或者3路3.3V被短接在一起集中供電。傳統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)，是通過(guò)單顆大電流電源得到3.3V電壓后，經(jīng)過(guò)一系列負(fù)載開關(guān)、LC濾波電路將電壓軌相對(duì)獨(dú)立成3路，滿足可能出現(xiàn)的獨(dú)立/集中供電。這樣的冗余設(shè)計(jì)導(dǎo)致了供電端口體積劇增，硬件成本也會(huì)隨之飆升。
MPS推出具備智能負(fù)載分配功能的電源模塊MPM54313則能干凈清爽地解決此類問(wèn)題。三路輸出降壓電源模塊，每路輸出電流3A，獨(dú)立供電。熱狀態(tài)下輸出通道間短接時(shí)，模塊內(nèi)部的負(fù)載智能分配電路可迅速實(shí)現(xiàn)在線負(fù)載均流，支持9A輸出。此外該電源模塊的數(shù)字接口能實(shí)時(shí)反饋供電電壓、電流、溫度、告警等監(jiān)控信息，減少供電端口外圍監(jiān)控電路設(shè)計(jì)。在使用智能電源模塊方案后，供電端口體積和成本大大降低：
 

圖6 智能光模塊端口供電方案
 
?    多路電源模塊EMI優(yōu)化及數(shù)字監(jiān)控功能
在MPS多路輸出電源模塊家族中，除前文提及的各種獨(dú)門秘技外，數(shù)字監(jiān)控、上位機(jī)輔助調(diào)試、EMI優(yōu)化等家族式特點(diǎn)更推動(dòng)電源模塊產(chǎn)品成為硬件工程師們的首選。

                

        圖7 數(shù)字化上位機(jī)輔助調(diào)節(jié)界面                

   圖8 某型多路輸出電源模塊EMI輻射測(cè)試曲線

數(shù)字監(jiān)控功能得益于MPS晶圓設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)積累，能提供模塊運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、開發(fā)調(diào)試、數(shù)字配置保存及導(dǎo)入等一系列功能。而EMI設(shè)計(jì)方面，通過(guò)器件3D布局，減少SW Copper的天線效應(yīng)；多路集成化設(shè)計(jì)則可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電磁干擾的實(shí)時(shí)補(bǔ)償；基板設(shè)計(jì)上，在功率平衡流動(dòng)和過(guò)孔通流方面做文章，優(yōu)化磁場(chǎng)分布來(lái)約束電磁輻射；抖頻功能更幫助EMI頻段薄弱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量分散，減小了輻射峰值。

在電源模塊應(yīng)用領(lǐng)域，MPS優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，可以幫助客戶成功、快速地開發(fā)安全、智能、可靠的解決方案。作為一家全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商，MPS憑借敏銳的洞察力和優(yōu)秀的模塊設(shè)計(jì)，可以滿足復(fù)雜多變的供電需求，助力客戶創(chuàng)造更大產(chǎn)品價(jià)值。