多路输出+3D封装能否成为模块电源未来趋势-电子发烧友网

电源模块化封装有什么优势?更大的电流、更高的功率密度和更高的散热要求，MPS又会如何应对?对于电源模块化开发又有着怎样的路线规划?

12月6日，芯源系统股份有限公司(Monolithic Power Systems, Inc.，下称MPS)举行了“更小更易更强”主题电源模块新品发布会，介绍了MPS电源模块新产品，分享了当前电源模块产品发展所面临的挑战以及MPS的应对策略。

电源模块市场发展潜力

相比于传统的分离电源方案，电源模块的优势在于集成度高、体积小、功率密度高，近年来逐渐受到不少电源厂商的青睐。从2020年开始，二次电源模块市场(也就是传统DC-DC电源模块产品)需求量从2亿美元的小众市场迅速增长，预计2024年将接近10亿美元，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都需要大量的模块电源，而随着AI大数据领域、超级计算机以及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、高能量密度的Power Block模块也将会迎来爆发式的需求增长。

电源模块市场趋势预测

电源模块市场的挑战

但模块电源高速发展的同时，也仍存在不少的问题和挑战。

更高的功率密度和更小的体积要求。电源模块设计中首先面临的挑战，就是功率密度和模块体积的要求越来越严格，处理单元的功率需求从600W提高至1kW甚至2kW，电流从几十A提高至1000A甚至2000A以上，效率也要求90%以上，但与此同时，整个单元的占板面积要求反而要越来越小，这对电源模块的功率密度和体积都提出了更大的挑战。

某OAM数据处理单元

更高的散热性能。功率密度的提高和体积的减小，本身就会对散热提出更苛刻的要求，模块电源的应用环境，更加剧了这一问题的严峻性。以典型的基站发射杆塔为例，其对电源的需求几乎凑齐了所有严苛的散热条件：极高的环境温度、越来越高的集成度加上铜铝散热器的散热方案，在追求更大功率输出趋势下，成为每个电源厂家的难题。

更多的输出电压轨。在越来越多的应用领域，涉及到通用FPGA或者专用ASCI芯片的供电需求也越来越多，比如各种AI加速卡的供电、超级计算机计算单元的供电、5G设备中专用ASCI数据处理接口芯片的供电，还有一些工业测试机或者工业自动化设备中供电等等，导致电源负载数量越来越多，电源通道数量增加，不同的电压轨越来越多，开关机时序也日渐严格，如何解决电磁兼容问题，设计出高可靠性的多通道负载方案，也是电源厂商的挑战之一。

产品通用性差。在很多硬件设计中，不同的负载，对供电电压要求差别很大，负载对供电电压要求较宽，负载电流实际大小也与工作环境强相关，加上产品迭代导致其可扩展性差，如何用一颗芯片来完成尽可能多的设计，不仅是电源工程师的诉求，也是芯片厂商在孜孜追求的优化方向。

智能化带来的挑战。随着产品智能化的普及，系统也日趋复杂，各种通讯、接口、辅助电源等容易引发负载突变，如何智能、动态的分配负载以提高方案可靠性同样是工程师和厂商面临的挑战。

MPS“芯”思路多路输出+3D封装模块

减少70%设计时间。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过程往往需要14-90天，较为复杂的原理图和Layout设计、回板调试验证更需要大量的时间。为了给客户提供更简单、更易用的产品，提供可靠性更高的产品，减少PCB设计中反复迭代而产生的研发资源浪费，压缩客户硬件开发周期，MPS推出了高度集成的电源模块产品，帮助客户大量节省前期选型、验证时间，有效缩短原理图和Layout耗时。据MPS电源模块产品线经理Roy Tu介绍，使用电源模块产品会比分立方案减少多达70%的设计时间。

100A传统分立方案和模块电源方案典型应用对比

提高电源功率密度。模块化可以让电源设计跳出常规思路，在同样体积前提下，压缩它的宽度，使模块能更贴近负载芯片，这样可以减少空间浪费，减小寄生阻抗损耗，同时赋予模块通道之间自由并联的能力，减少组件之间 Clearance 带来的空间浪费，最重要的一点是，3D封装将晶圆集成在基板内部，与电感一起层叠封装，提升功率密度，由此带来的另一大好处是可以减少大量的平铺面积，为PCB板节省1/3甚至高达1/2的占板空间。

超高功率MPM54522/MPM54322系列电源模块产品

多路电源模块优化散热。MPS采用基板嵌入式设计，将晶圆嵌入基板，然后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进行有效的热交换，使电感本体和晶圆之间达到热平衡，消除了方案中的散热瓶颈，从整体上提升模块的热性能。值得一提的是，MPS的MPM54524这款产品，是目前业界能够输出 20A 负载的最小封装模块(8mmx8mmx2.9mm)。

MPM82504E系列电源模块产品

智能分配负载。多路输出的一大好处是可以智能分配负载，以电源模块MPM54313为例，可以有效地解决传统单颗大电流电源通过负载开关、LC滤波电路将电压轨相对独立成3路而出现的供电端口体积剧增问题，有效地节省了成本。

MPM54313系列电源模块产品

高集成度设计优化EMI性能。传统的多路供电应用中，芯片数量繁多，不同设计方案EMI性能差异巨大，对企业的布板能力和仿真测试要求高，而过器件3D布局，可有效减少SW Copper的天线效应，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，并通过基板设计的功率平衡流动和过孔通流优化磁场分布，约束电磁辐射，满足客户EMI性能要求。