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面对电源模块的挑战MPS已做好准备

关键词:电源模块MPS电源设计

时间:2022-12-19 09:12:57      来源:中电网

电源模块越来越受到市场的青睐,2020年市场规模达2亿美元,而预计到2024年将扩大到10亿美元。为这个市场带来红利的离不开5G应用,特别是5G 基站、以及5G中回传相关的路由设备、交换设备、光模块级相关板卡设备。未来两年,随着AI大数据领域、以及超级计算或者超级计算单元等应用的迅猛发展,大电流和高功率密度模块、以及高能量密度的Power Block模块也将会迎来爆发式的需求增长。

电源模块越来越受到市场的青睐,2020年市场规模达2亿美元,而预计到2024年将扩大到10亿美元。为这个市场带来红利的离不开5G应用,特别是5G 基站、以及5G中回传相关的路由设备、交换设备、光模块级相关板卡设备。未来两年,随着AI大数据领域、以及超级计算或者超级计算单元等应用的迅猛发展,大电流和高功率密度模块、以及高能量密度的Power Block模块也将会迎来爆发式的需求增长。正是因为,相对于分立方案,电源模块所带来的好处不只一点,来听听MPS 电源模块产品线经理Roy Tu 是如何说的。Roy传达了MPS开发电源模块的初衷:他们是想通过提供更简单、易用,高可靠性的产品来减少客户硬件的开发周期,减少PCB设计中反复迭代而产生的研发资源浪费。

电源模块所带来的好处

简单、易用,提高效率
:Roy进一步解释,在传统的分立方案电源设计中,从芯片选型、到被动元器件计算和选择的时间所需少则2周,多达3个月。而原理图和Layout设计、回板调试验证,这些较为复杂的过程需要的时间就更多。而通过高度集成的电源模块,在以上过程中会大量节省开发所需的时间,从他们的经验来看,使用电源模块相比分立方案减少多达70%的设计时间。

下图直观可见,以100A的应用为例,从左图中不难看出分立方案所需器件较多,每部件之间由复杂的连接。而右图采用电源模块集成,工程师只需简单的输入电容和必要的输出电容以及反馈上下分压电阻就能够完成左边电路的功能。

减小体积,提高散热能力:如今电子产品小型化的趋势不但要求电源方案的体积变小且散热能力更需提升。电源模块化可以通过3D堆叠的方法来减少PCB使用1/3-1/2的面积。正是利用该方法,MPS电源模块在散热设计上也得到极大提高。3D堆叠技术对电感进行特殊的处理,将芯片的发热通过电感本体、或者表面进行加强散热,有效的消除解决方案中晶圆本身的发热瓶颈。

而对工程师较为关注的EMI问题,电源模块也可以通过功率路径设计来优化管脚布局从而做到性能提高。

电源模块需求爆发式增长下的挑战

功率密度要求更高而体积则期望更:以OAM数据处理单元为例,随着OAM标准的演进,整个单元中电源方案需要和计算系统方案深度集成,如此处理单元的功率要求从600w到1kw,甚至朝着2kw迈进。电流从几百安培增加到1千安培或者更高。效率最低达90%以上。特别是当功率密度要求更高时反而体积却要做到更小。

散热问题:以基站的发射杆塔对电源的需求为例,随着基站的地域布局更广,一些恶劣的环境下面临极具的高温,随着5G杆塔的推广,一种铜铝散热器散热方案成为主流,在没有空气流动、全靠散热器与环境空气进行热交换的散热方式,为电源设计带来了极大的挑战。同时,伴着数据流量的增长,负载功耗增大发热量更多。

更多的输出电压轨:在广泛的应用领域中,供电的需求也越来越多,他们有着共同的特点,即电源负载数量越来越多,不同的电压轨越来越多。当电源通道数量增加,开关机时序也日渐严格,同样对通道之间的电磁兼容性问题也会突出。

通用性:是否可以利用一颗芯片或电源模块来解决不同负载的供电,兼顾不同的电压需求以及覆盖更宽的电流范围?当设计有冗余的时候,芯片如何运行最具性价比的水平上?另外设计方案的可继承性也是工程师所面临的挑战。

智能化:万物兼智能,但其身后却是满满的挑战,比如负载端的在线智能分配、数字接口和智能监控,还有防呆的设计、智能检测以及智能保护和一些特殊私有化协议的响应等等。

MPS如何应对

MPS认为多路化输出的电源是未来发展的重要方向,配以3D封装能够显著地提高电源的功率密度。而且可提升电源的散热性能。这种方案还有利于实现通道之间的智能化配置,并且据有更好的EMI 性能。

来看一下针对高功率密度的需求,MPS是如何应对的,据Roy介绍,首先从系统布局入手。以典型的高功率密度需求型场景为例,在电源模块外形设计上,录体积相同的情况下压缩其宽度,使模块更贴近负载芯片,这样所带来的好处是减少空间浪费,减小寄生阻抗损耗。不仅如此,MPS还把电源模块做成灵活的多路输出。重要的是3D封装将晶圆集成在基板内部,然后与电感一起层叠封装,进一步压缩模块实体的体积。而这些都是提高功率密度的有效方法。

为此该公司推出了超高功率密度模块MPM54522/MPM54322,两款产品,输入电压范围从2.85V 到16V,输出电压范围从0.4V 到3.8V。MPM54522可支持双路分别输出6A电流,并联可实现12A 。而MPM54322则可支持双路3A 输出,并联可以实现6A输出。为实现高精度的电压控制,两款产品均可支持双路分别进行远端采样。通过一颗电阻可选择7种不同的工作模式,满足任何客户的需求。应用领域遍布FPGA & ASIC 电源、电信、AI、 计算、PCIe 加速卡、光模块、工业自动化等。

而针对多路电源模块的散热优化MPS都做了哪些工作呢?下图所示,MPS采用一种基板嵌入式设计,电感贴装在基板表面。电感与IC之间通过玻璃纤维和导热胶体有效的进行热交换,使电感本体和晶圆之间达到热平衡,如此从整体上提升模块的热性能。也可以在发热晶圆顶部加装特别的金属块,利用金属的导热系数高的特性与散热器配合,极大地降低晶圆的结温。在这方面MPS代表的产品有电感&晶圆整体散热的MPM54524,和集成散热器MPM82504E等。

先来说说MPM54524,它的输入电压范围在4V 到16V 间,采用ACOT 的控制方式,能够实现超快速的动态响应。支持有源的双相并联。值得一提的是,这是业界最小的一款20A模块,封装仅有8mmx8mmx2.9mm。

而MPM82504E它的优点为内部增加散热器设计,可支持四路25A 输出,或者两两并联输出50A,甚至4路并联输出100A。对于更大的电流场景,最大可利用8颗82504E并联扩展至 800A负载能力。该产品可提供快速的动态响应能力,与竞品相比,在同样的输出纹波和同样的跳变性能前提下,82504E可以节省大约一半的输出电容。同时该产品所具备的数字接口功能可支持在线调试和单颗模块的调试和故障上报的功能。

在智能化方面,Roy介绍了传统板卡光模块端口供电方案,其定义是将3.3V供电电源分别指给光模块的接收端、发射端,以及内部逻辑控制电路供电。目的是独立供电能尽可能将电源噪声路路隔开,提高光模块传输。但是往往设计起来并非如理想所愿,光模块的尺寸和高频走线极大压缩了电源走线的空间。为了解决这个问题很多光模块设计中会在内部将3路走线连接在一起。以便端口在插入不同厂家生产的光模块时,会有两种可能性:3路3.3V独立供电,或者3路3.3V被连接在一起集中供电。传统的供电设计,是通过单颗大电流电源得到3.3V电压后,经过一系列负载开关、LC滤波电路将电压轨相对独立成3路,满足可能出现的独立/集中供电。但这样的冗余设计导致了供电端口体积剧增,硬件成本也会随之飙升。而MPS推出具备智能负载分配功能的电源模块MPM54313,就能解决以上问题。

MPM54313是一款三路输出的降压电模块,每路输出3A,最大能输出4A电流。支持输入电压范围从3V到18V。内置 Load Line以实现 2-3 路并联输出。包括他具有电压、电流、温度遥测回读、远端电压采样、以及EN和PG输出引脚的特性。采用 8mmx9x2.58mm BGA 封装。这些优势为客户节省了65%的板上空间,以及60%的BOM成本,并且提高了1%-2%的转换效率。

通过3D设计优化EMI性能。在传统的多路供电应用中,PCB布板的水平会带来EMI的性能差异。而MPS的3D 布局,可减少SW Copper的天线效应。同时多路集成化设计则可以在电源内部实现电磁干扰的实时补偿。在基板设计上,通过功率平衡流动和过孔通流方面,来优化磁场分布从而约束电磁辐射。其抖频功能更是帮助到EMI频段薄弱点实现能量分散,减小了辐射峰值,以上用以帮助客户来满足EMI的一些需求。该方面代表产品MPM3596,采用双边输入电容的设计,好处是可以保证输入的功率能够对称排布,以减少电磁波对外的辐射。支持开关频率可调、以及主动的主频率拓展功能。支持超宽的电压输入输出。在对EMI有严格要求的应用场景上,客户还可以输入一个外部的同步时钟来同步该芯片的开关频率。Roy特别提到,MPM3596的另一个优势是,该模块在客户的ADC不太够用但是又不愿意去额外增加一块 ADC芯片的时候,还能临时通过一颗IO 口配置为一个ADC的一个输入,使用模块内部的一个ADC 对客户的某一些信号做ADC的一个解析。

MPS产品规化

最后Roy谈到MPS的产品规化路线。他表示,公司已经有在产量爬坡的电源模块,输入电压范围可从6V到75V。覆盖包括车规在内的36V档位。输出电流从较小的毫安级支持到单颗最大输出360A。未来MPS发展的一个重点方向在高压45V到75V阶段产品。

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