多路输出+3D封装，MPS智能高功率密度电源模块

[导读]据调研数据，电源模块的增强势头强劲。2020年电源模块（不包括一次电源模块）的市场规模为2亿美元，但到2024年将达到近10亿美元。主要推动力来自5G和AI计算两大应用方向：今明两年，5G基站、5G中回传相关路由设备、交换设备、光模块级相关板卡设备，是模块电源较大的出货对象；明后两年，随着AI大数据领域、超算等应用的迅猛发展，大电流和高功率密度模块、以及高能量密度的电源砖模块也将会迎来爆发式需求增长。

据调研数据，电源模块的增强势头强劲。2020年电源模块（不包括一次电源模块）的市场规模为2亿美元，但到2024年将达到近10亿美元。主要推动力来自5G和AI计算两大应用方向：今明两年，5G基站、5G中回传相关路由设备、交换设备、光模块级相关板卡设备，是模块电源较大的出货对象；明后两年，随着AI大数据领域、超算等应用的迅猛发展，大电流和高功率密度模块、以及高能量密度的电源砖模块也将会迎来爆发式需求增长。

电源模块相比分立元器件方案有着诸多优势，但同时新的应用需求也给电源模块提出了新的挑战。如何应对这些挑战？近日，MPS召开了电源模块媒体沟通会，MPS电源模块产品线经理涂瑞（ RoyTu）针对相关话题进行了精彩的分享。

多路输出+3D封装，MPS智能高功率密度电源模块

图：MPS电源模块产品线经理涂瑞（ RoyTu）

电源模块相比分立器件方案的优势

其实电源模块的定义非常广泛，但像简单的220V交流转48V的通信电源模块这种一次电源模块，更不在我们的讨论之列。但我们今天讨论的电源模块是板砖电源模块的形态，主要是一些二次电源，甚至是一些POL的电源模块。这种电源模块的产品形态和芯片是非常接近的，也是芯片厂商尤为关注的重点产品。

电源模块相比分立器件有几大优势，一是开发周期缩短，二是体积和散热优势。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等等过程就需要至少2周，复杂设计甚至需要到3个月的时间；接下来是较为复杂的原理图和Layout设计、回板调试验证等，这些工作都需要大量的时间。电源模块产品的特性就是高度集成的，可以给客户省去大量前期选型、验证的时间，并能帮助客户减少原理图和Layout的耗时；据MPS多年的客户支持经验经验看，使用电源模块会比分立方案减少多达70%的设计时间。

在体积方面，在高度集成的电源模块中，可以通过各种3D堆叠的方式，将电感本体和IC本体封装在同一块区域内，从而大量减少平铺面积，为客户时间少1/3～1/2的PCB面积。在散热方面，晶圆的散热往往是整个电源方案的瓶颈。而MPS通过3D堆叠的方式，将晶圆的散热通过电感本体和表面进行加强散热，从而有效解决发热问题。

除此外，电源模块的管脚可以针对客户的应用做出优化，配合实现客户方案中更短的功率路径设计，并进一步提高EMI等性能。

新兴应用给电源模块带来的挑战

本文开头已经提到，5G和AI的普及将会大大推动电源模块的市场增长。但同时新兴应用方向也给电源模块带来了新的挑战。据涂瑞总结，挑战主要来自五个方面：高功率密度、散热、数字化多路化、通用性和智能化，接下来为大家一一展开进行解读。

第一个面临的挑战就是功率密度和模块体积的要求越来越严格。举例来看，当前一个OAM数据处理单元的需求功耗就达到了600W，已经远超传统的单颗电源模块的输出功率，两者在体积上有着巨大的差异。此外随着OAM标准的演进，整个单元中电源方案需要和计算系统方案会深度集成，进一步带来了更严苛的挑战：处理单元的功率向着1kw乃至2kw迈进；处理器电流从几百安增加到一千甚至两千安培；负载效率要求达到90%以上；占板面积要求越来越小。

第二个挑战来自散热。例如在一些基站的发射杆塔上，电源模块的散热难度极高。首先基站分布位置不定，在某些炎热无风地区安装的基站，本身电源模块的散热就非常困难。其次随着AAU单元集成度提高，传统散热风扇被铜铝散热器取代；但这种仅通过空气热交换的散热方向在炎热气候并不理想。第三，随着数据通信流量的暴增，也会让5G杆塔的功率负载快速增长，这也意味着发热源会更大。

第三个挑战是数字化、多路化的需求增多。除了CPU外，像通用FPGA、DPU、专用ASIC芯片等的供电需求也越来越多。这种多通道负载的供电给电源工程师提出了新的要求：电源负载数量越来越多，不同的电压轨也越来越多；电源通道数量增加，开关机时序也日渐严格；供电通道多，通道之间的电磁兼容问题也会更加突出。

第四个挑战是通用性。不同的负载对于供电电压的要求自然是不同的。但客户期望能有一种电源芯片或者模块，能兼顾各种不同的电压需求；用尽可能少的物料，来覆盖尽可能广的负载电流范围。另外客户也期望一种电源方案能提供足够的可扩展功能，满足终端产品的硬件设计不断迭代过程中，新增的电源负载需求。

第五个挑战是智能化的需求。例如智能多路分配、智能识别系统工况、智能识别插入设备、动态调节负载等等。要通过尽可能少的芯片，来满足客户整个系统方案的供电需求和智能化的要求。

多路输出+3D封装，实现智能化、高功率密度的电源模块设计

为了应对以上电源模块的挑战，MPS采用了多路输出的设计+3D封装。据涂瑞介绍，采用这种方式能够显著地提高电源的功率密度，并且多路输出模块更利于系统整体的散热性能。此外，多路输出的模块都使用了同一个控制的大脑，更有利于实现通道之间的智能化配置。最后，多路输出的模块它会有更好的 EMI 性能。

高功率密度和3D封装

MPS电源模块采用3D封装的方式，将晶圆集成在基板内部，然后与电感一起层叠封装，进一步压缩了模块实体的体积，提升了模块自身的功率密度。

在系统方案中，如下图所示是一种典型的高功率密度需求场景，MPS电源模块外形设计跳出常规思路，在同样体积前提下，压缩模块宽度，使其能更贴近负载芯片，这样可以减少空间浪费，减小寄生阻抗损耗。减少损耗同时也就能够进一步地提高系统功率密度。

涂瑞表示，3D封装来提高功率密度，本身与多路设计无关；但是单芯片中多路集成设计，却可以将3D封装的优势发挥到更大。这两者配合起来是比单纯的3D封装更能够节省客户的布板面积。

具备超高功率密度特点的模块是MPM54522和MP54322，MPM54322支持双路3A输出，MPM54522支持双路6A的输出。两颗模块均提供快速负载响应功能和可选LDO。

散热优化

一般模块的内部，晶圆的散热量远高于电感，因此晶圆的散热是模块散热能力的关键。MPS采用了一种基板嵌入式设计，晶圆被嵌入在基板里，电感贴装在基板表面。电感和IC之间通过玻璃纤维和导热的胶体，有效的进行热交换，使电感本体和晶圆之间达到热平衡。这样一体化的热设计使整个模块中不再存在某些过热的瓶颈，就可以从整体上提升模块的热性能。

针对散热优化的热色模块产品是MPM54524，这是当前业界能够输出 20A 负载的最小封装的模块。该模块支持数字配置方式，峰值效率可以达到92.3%。

负载智能分配

光模块端口的供电方案已经从传统走向智能，各光模块协议定义中，将进入光模块金手指的3.3V供电电源分成了3路，分别给光模块的接收端、发射端，以及内部逻辑控制电路供电，但实际设计中光模块的尺寸和高频走线极大压缩了电源走线的空间。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。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。

针对上述智能化的挑战，可以选择MPS的三路输出降压电源模块MPM54313。该模块每路输出电流3A，独立供电。此外，还可以通过数字的方法来对模块的某一路进行开通和关断的操作，减少供电端口外围监控电路设计。据悉在客户的实际使用中，选择MPM54313可以节省65%的板上空间和60%的BOM成本，提高了1%-2%的转换效率。

EMI优化

传统的多路供电应用中，芯片数量繁多。不同客户的PCB布板水平是参差不齐的，导致不同设计下EMI的性能差异巨大。MPS通过器件3D布局，减少SW Copper的天线效应；多路集成化设计在电源内部实现电磁干扰的实时补偿。在基板设计上，MPS通过功率平衡流动和过孔通流，优化磁场分布来约束电磁辐射；抖频功能更帮助EMI频段薄弱点实现能量分散，减小了辐射峰值。