MPS數(shù)字化多路電源模塊助力復(fù)雜高效電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“碳中和”政策的推行呼吁系統(tǒng)的供電效率大幅提升，而對很多現(xiàn)有的系統(tǒng)供電系統(tǒng)來說，要保障供電的功率等級，同時(shí)還要滿足足夠高的能源轉(zhuǎn)換效率，就需要對電源系統(tǒng)進(jìn)行更有針對性的配置。高集成度和小尺寸無疑是其中最受歡迎的兩個(gè)技術(shù)要求，而從傳統(tǒng)的單獨(dú)電源到模塊級電源是更為直接實(shí)現(xiàn)這兩大要求的手段。

近幾年來，板級電源模塊產(chǎn)品呈現(xiàn)爆炸式發(fā)展態(tài)勢，其集成度高、體積緊湊的優(yōu)點(diǎn)，吸引了越來越多的終端客戶選擇。而越來越多的應(yīng)用類型、越來越復(fù)雜的使用場景，也對電源模塊產(chǎn)品提出了更高的挑戰(zhàn)。MPS開發(fā)電源模塊的初衷，是為了盡可能給客戶提供更簡單、更易用的產(chǎn)品，提供可靠性更高的產(chǎn)品，通過這樣的方法呢，來壓縮客戶硬件開發(fā)周期，減少PCB設(shè)計(jì)中反復(fù)迭代而產(chǎn)生的研發(fā)資源浪費(fèi)。

MPS電源產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞這樣做了對比，采用傳統(tǒng)的分立方案電源設(shè)計(jì)，從芯片選型、到被動元器件計(jì)算和選擇，這些過程就需要少則2周多則可達(dá)3個(gè)月的時(shí)間；這還僅僅是其中的一部分工作，接下來較為復(fù)雜的原理圖和Layout設(shè)計(jì)、 回板調(diào)試驗(yàn)證，這種工作都需要大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。電源模塊產(chǎn)品呢，它的特性就是高度集成的，可以給客戶省去大量前期選型、驗(yàn)證 的時(shí)間，并能幫助客戶減輕原理圖和Layout的耗時(shí)；從過去的經(jīng)驗(yàn)看，使用電源模塊會比分立方案減少多達(dá)70%的設(shè)計(jì)時(shí)間。

隨著電源系統(tǒng)的越來越復(fù)雜，MPS在多年服務(wù)客戶的過程中，發(fā)現(xiàn)了目前電源應(yīng)用中的一些痛點(diǎn)：

?    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)勢越來越明顯。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)帶來前所未有的便捷。MPS如何將模塊做到既小又好，讓我們來一睹它們的技術(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)勢推向極致。
?    針對大電流產(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，常常會遇到一種頭疼的場景：由于來自不同供應(yīng)商的熱插拔組件中供電負(fù)載不確定性太大，前級供電系統(tǒng)不得不添加較多的被動器件，用來支持不同的負(fù)載需求。我們來看交換機(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)，是通過單顆大電流電源得到3.3V電壓后，經(jīng)過一系列負(fù)載開關(guān)、LC濾波電路將電壓軌相對獨(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，在功率平衡流動和過孔通流方面做文章，優(yōu)化磁場分布來約束電磁輻射；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。