多路输出+3D封装能否成为模块电源未来趋势
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。
mpm3596系列电源模块产品
结语
目前，mps电源模块产品已实现6v-75v输入电压覆盖，涵盖了低压档、中压档和车规个36v档等各种应用场景，谈及产品未来发展规划时，roy tu表示，高功率、小型化是模块电源产品未来发展趋势，也是mps的努力方向，mps未来也将在更高的输入电压和更大的输出电流方面进一步拓展相关产品应用。
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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。
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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。
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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。
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