復雜電源系統中的明星： 數字化多路電源模塊將即將嶄露頭角
http://www.debgrams.com 2022-12-07 11:02 來源：MPS
近幾年來，板級電源模塊產品呈現爆炸式發展態勢，其集成度高、體積緊湊的優點，吸引了越來越多的終端客戶選擇。而越來越多的應用類型、越來越復雜的使用場景，也對電源模塊產品提出了更高的挑戰。如何達到性能最優？如何提升用戶設計體驗？如何增強可靠性？各種尖銳的問題，促使IC電源廠商不斷追求著控制策略優化、工藝優化、設計結構優化。MPS在電源模塊產品設計方面有著自己獨到的理解和技術沉淀，并藉此推動電源模塊產品的交付量迅猛增長。
什么是板級電源模塊？答案似乎很簡單：把諸如阻、容、感等被動器件，與電源IC封裝在一起形成一個整體，這就是一個典型的板級電源模塊。但是，這樣簡單將單顆IC結合被動器件組裝出一個電源模塊，能否完全激發出性能潛力？這個問題值得電源廠商思考。讓我們先來聚焦電源模塊應用，甚至推廣到板級電源應用中存在的一些痛點：
•AI、數據計算等應用領域，對更大電流能力、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，導致產品在追求更小體積和更好散熱之間難以取舍；
•越來越復雜的系統讓供電軌數急劇增加，如何更好的布板、梳理復雜的電源層、優化電源時序控制、優化EMI問題，也讓硬件工程師頭痛不已；
•電源模塊通用性需求，為減輕供應鏈管理難度，物料歸一化呼聲日漸增多；
•電源模塊智能化、數字化趨勢明顯，諸如智能均流、智能并聯、在線監控等功能，逐漸成為復雜系統供電設計的剛需。
圖1 電源模塊的痛點聚焦
面對這些硬件設計中的痛點，多路數字電源模塊的優勢越來越明顯。除了滿足客戶常規的“小體積”需求外，其“高效散熱、可擴展性、可兼容性、智能化”等特點更能給實際硬件設計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細節。
• 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計，模塊能貼近負載端放置，減小布局帶來的線路損耗；
靈活方便的多路并聯模式，單一輸入源可降低布板復雜程度，進一步減少線路損耗；
并聯功能增加模塊的輸出能力，更讓電路工作在多相交錯狀態，減小模塊開關損耗
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，并聯可實現 6A 輸出； MPM54522則可支持雙路 6A，并聯可實現 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用場景中大顯身手。
• 優化散熱設計的多路電源模塊模塊
圖3 電源模塊3D封裝三熱仿真
圖4 電源模塊加強散熱型設計仿真
特殊的3D封裝，將本體溫度較低、導熱性能較好的金屬粉末電感層疊安裝在晶圓上方。電感磁芯導熱系數高，能有效幫助晶圓散熱，從而消除整個模塊中的散熱瓶頸，使模塊整體發熱均勻、減輕系統級散熱壓力。在此基礎上，單顆多路輸出的PMIC晶圓配合多顆電感的3D封裝方式，更能把散熱優勢推向極致。
針對大電流產品，在模塊內部晶圓上增加高導熱系數的散熱零件，也是有效消除晶圓散熱瓶頸的方式。
MPS推出的業界體積超小的20A電源模塊MPM54524是優化散熱設計的一個典型例子。它采用了ECLGA封裝，體積壓縮到8mmx8mmx2.9mm，與此同時散熱性能優于同性能的分立器件解決方案。此外在12V轉3.3V應用下，滿載效率大于90%，峰值效率可達92.3%。另外，該模塊可支持四路單相5A輸出，或雙相并聯輸出兩路10A，還可支持三相并聯15A和四相并聯20A，極大減小了中、大電流應用場景下的開關損耗。
• 多路輸出及負載智能分配的電源模塊
在一些板卡或者其他系統組件熱插拔操作中，常常會遇到一種頭疼的場景：由于來自不同供應商的熱插拔組件中供電負載不確定性太大，前級供電系統不得不添加較多的被動器件，用來支持不同的負載需求。我們來看交換機中光模塊端口供電的傳統設計方案：
圖5 傳統光模塊端口供電方案
各型光模塊協議定義中，將進入光模塊金手指的3.3V供電電源分成了3路，分別給光模塊的接收端、發射端，以及內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、發射端對電源噪聲較為敏感，獨立供電能盡可能將電源噪聲隔離，提高光模塊傳輸性能。但實際設計中，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計中會在內部將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的光模塊時，會有兩種可能性：3路3.3V獨立供電，或者3路3.3V被短接在一起集中供電。傳統的供電設計，是通過單顆大電流電源得到3.3V電壓后，經過一系列負載開關、LC濾波電路將電壓軌相對獨立成3路，滿足可能出現的獨立/集中供電。這樣的冗余設計導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，獨立供電。熱狀態下輸出通道間短接時，模塊內部的負載智能分配電路可迅速實現在線負載均流，支持9A輸出。此外該電源模塊的數字接口能實時反饋供電電壓、電流、溫度、告警等監控信息，減少供電端口外圍監控電路設計。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優化及數字監控功能
在MPS多路輸出電源模塊家族中，除前文提及的各種獨門秘技外，數字監控、上位機輔助調試、EMI優化等家族式特點更推動電源模塊產品成為硬件工程師們的首選。
圖7 數字化上位機輔助調節界面
圖8 某型多路輸出電源模塊EMI輻射測試曲線
數字監控功能得益于MPS晶圓設計的傳統積累，能提供模塊運行狀態監控、開發調試、數字配置保存及導入等一系列功能。而EMI設計方面，通過器件3D布局，減少SW Copper的天線效應；多路集成化設計則可以實現內部電磁干擾的實時補償；基板設計上，在功率平衡流動和過孔通流方面做文章，優化磁場分布來約束電磁輻射；抖頻功能更幫助EMI頻段薄弱點實現能量分散，減小了輻射峰值。
在電源模塊應用領域，MPS優勢獨特，可以幫助客戶成功、快速地開發安全、智能、可靠的解決方案。作為一家全球領先的半導體供應商，MPS憑借敏銳的洞察力和優秀的模塊設計，可以滿足復雜多變的供電需求，助力客戶創造更大產品價值。
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