【導讀】近幾年來(lái)，板級電源模塊產(chǎn)品呈現爆炸式發(fā)展態(tài)勢，其集成度高、體積緊湊的優(yōu)點(diǎn)，吸引了越來(lái)越多的終端客戶(hù)選擇。而越來(lái)越多的應用類(lèi)型、越來(lái)越復雜的使用場(chǎng)景，也對電源模塊產(chǎn)品提出了更高的挑戰。如何達到性能最優(yōu)？如何提升用戶(hù)設計體驗？如何增強可靠性？各種尖銳的問(wèn)題，促使IC電源廠(chǎng)商不斷追求著(zhù)控制策略?xún)?yōu)化、工藝優(yōu)化、設計結構優(yōu)化。MPS在電源模塊產(chǎn)品設計方面有著(zhù)自己獨到的理解和技術(shù)沉淀，并藉此推動(dòng)電源模塊產(chǎn)品的交付量迅猛增長(cháng)。
近幾年來(lái)，板級電源模塊產(chǎn)品呈現爆炸式發(fā)展態(tài)勢，其集成度高、體積緊湊的優(yōu)點(diǎn)，吸引了越來(lái)越多的終端客戶(hù)選擇。而越來(lái)越多的應用類(lèi)型、越來(lái)越復雜的使用場(chǎng)景，也對電源模塊產(chǎn)品提出了更高的挑戰。如何達到性能最優(yōu)？如何提升用戶(hù)設計體驗？如何增強可靠性？各種尖銳的問(wèn)題，促使IC電源廠(chǎng)商不斷追求著(zhù)控制策略?xún)?yōu)化、工藝優(yōu)化、設計結構優(yōu)化。MPS在電源模塊產(chǎn)品設計方面有著(zhù)自己獨到的理解和技術(shù)沉淀，并藉此推動(dòng)電源模塊產(chǎn)品的交付量迅猛增長(cháng)。
什么是板級電源模塊？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)典型的板級電源模塊。但是，這樣簡(jiǎn)單將單顆IC結合被動(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(chǎng)商思考。讓我們先來(lái)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(diǎn)：
● AI、數據計算等應用領(lǐng)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(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(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(lián)、在線(xiàn)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(diǎn)聚焦
面對這些硬件設計中的痛點(diǎn)，多路數字電源模塊的優(yōu)勢越來(lái)越明顯。除了滿(mǎn)足客戶(hù)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(diǎn)更能給實(shí)際硬件設計帶來(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(lái)的線(xiàn)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雜程度，進(jìn)一步減少線(xiàn)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(kāi)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 6A 輸出； MPM54522則可支持雙路 6A，并聯(lián)可實(shí)現 12A 輸。5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的極小尺寸，讓這兩款模塊在A(yíng)I加速卡供電以及光模塊等PCB布局空間極為狹小的應用場(chǎng)景中大顯身手。
優(yōu)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(gè)模塊中的散熱瓶頸，使模塊整體發(fā)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(yōu)勢推向極致。
針對大電流產(chǎn)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(yè)界體積超小的20A電源模塊MPM54524是優(yōu)化散熱設計的一個(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3.3V應用下，滿(mǎn)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(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、大電流應用場(chǎng)景下的開(kāi)關(guān)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(huì )遇到一種頭疼的場(chǎng)景：由于來(lái)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(dòng)器件，用來(lái)支持不同的負載需求。我們來(lái)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(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)際設計中，光模塊的尺寸和高頻走線(xiàn)極大壓縮了電源走線(xiàn)的空間，于是在很多光模塊設計中會(huì )在內部將3路走線(xiàn)連接在一起。這樣，光模塊端口在插入不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的光模塊時(shí)，會(huì )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(guò)單顆大電流電源得到3.3V電壓后，經(jīng)過(guò)一系列負載開(kāi)關(guān)、LC濾波電路將電壓軌相對獨立成3路，滿(mǎn)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(huì )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(lèi)問(wèn)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(tài)下輸出通道間短接時(shí)，模塊內部的負載智能分配電路可迅速實(shí)現在線(xiàn)負載均流，支持9A輸出。此外該電源模塊的數字接口能實(shí)時(shí)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(yōu)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(mén)秘技外，數字監控、上位機輔助調試、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(xiàn)
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(tài)監控、開(kāi)發(fā)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(guò)器件3D布局，減少SW Copper的天線(xiàn)效應；多路集成化設計則可以實(shí)現內部電磁干擾的實(shí)時(shí)補償；基板設計上，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)現能量分散，減小了輻射峰值。
在電源模塊應用領(lǐng)域，MPS優(yōu)勢獨特，可以幫助客戶(hù)成功、快速地開(kāi)發(fā)安全、智能、可靠的解決方案。作為一家全球領(lǐng)先的半導體供應商，MPS憑借敏銳的洞察力和優(yōu)秀的模塊設計，可以滿(mǎn)足復雜多變的供電需求，助力客戶(hù)創(chuàng )造更大產(chǎn)品價(jià)值。
關(guān)于MPS
Monolithic Power Systems, Inc. (MPS)是一家全球領(lǐng)先的半導體公司，專(zhuān)注于基于芯片的高性能電源解決方案。MPS 的使命是減少能源和材料消耗，從各個(gè)方面改善生活質(zhì)量。公司于1997年由CEO Michael Hsing 成立，擁有三大核心優(yōu)勢：深厚的系統級知識、強大的半導體設計專(zhuān)業(yè)知識、專(zhuān)有的半導體工藝和系統集成技術(shù)及創(chuàng )新能力。這些綜合優(yōu)勢使 MPS 能夠為客戶(hù)提供具有可靠、緊湊和單片的解決方案，使其產(chǎn)品更節能、更經(jīng)濟，同時(shí)也為我們的股東帶來(lái)持續的投資回報。
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