MPS眼里的电源模块发展新趋势

作者：时间：2022-12-20来源：半导体行业观察收藏

正如MPS电源模块产品线经理涂瑞所说，为了尽可能给客户提供更简单、更易用且可靠性更高的产品，MPS便把目光投向了电源模块开发。而通过这种方法，不但能压缩客户硬件开发周期，还可以减少PCB设计中反复迭代而产生的研发资源浪费。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202212/441850.htm

“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，等等这些过程就需要至少2周，甚至长的需要到3个月的时间。接下来较为复杂的原理图和Layout设计、回板调试验证，也都需要大量的时间。在使用高集成度的电源模块产品之后，可以帮客户省去大量前期选型、验证的时间，并能减轻他们在原理图和Layout的耗时。从过去的经验看，电源模块会比分立方案减少多达70%的设计时间。”涂瑞举例说。
他进一步指出，体积和散热优势也是客户选择模块产品的重要原因之一。据介绍，在电源模块的设计中，可以通过各种3D堆叠的方法，将电感本体和IC本体封装在同一块XY的区域内，这样可以减少大量的平铺面积，为客户的PCB板节省1/3甚至高达1/2的占板空间。
从管脚的设计上看，电源模块的功率路径设计也是客户选择这类型产品的另一个原因。据介绍，电源模块的Vin、GND、Vout 这些功率路径可以针对客户的应用，做出相对更为优化的管脚布局，从而而使得功率回路最短、进一步提高诸如EMI之类的客户更关心的性能。
正因为拥有如此多的优势，市场上催生了对电源模块的更多要求。
据涂瑞介绍，从2020年开始，除了AC-DC以外，就属这种包括板块电源和POL电源在内的二次电源模块（也就是传统DC-DC电源模块产品）需求增长最为迅速。数据显示，这个在2020年还是一个2亿美元的小众市场。但到2024年，这预估会成长为一个接近10亿美元的较大市场。如果再算上广义上集成电感的Power Block和一些特种应用的需求，整个电源模块市场的需求量会更大。

在市场成长之余，我们自然也能看到随之而来的挑战。在涂瑞看来，当中就包括了功率密度/体积、散热、更多的输出电压轨、通用性和智能化等几个方面。面对这些挑战，MPS给出了他们的解决方案——多路电源模块。在MPS看来，这是电源发展的一个重要方向，因为其具备多方面的优势：

一方面，这个多路输出的模块，加上3D封装，能够显著地提高电源的功率密度。同时，因为多路输出的模块是从整体来设计散热方案，因此可以从整体上提升电源的散热性能；另一方面，多路输出的模块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。
“MPS最新推出的，具有超高功率密度的MPM54522 和 54322 家族正是这样的双路输出系列电源模块。”涂瑞说。
据介绍，这两颗产品的输入电压范围都是从 2.85V 到 16V，输出电压范围是从 0.4V 到 3.8V。至于输出电流方面则略有不同：MPM54522可以支持双路分别输出 6A，并联可实现 12A 的输出；MPM54322可以支持双路 3A 输出，并联可以实现 6A 输出。
涂瑞告诉记者，针对一些客户的要求，这两颗芯片还可以提供可选的 LDO 的功能。同时，这两颗芯片还能够支持双路分别进行远端采样，实现更高精度的电压控制。在并联的时候，芯片甚至还能支持双相自动交错并联，提高纹波频率，达到减小纹波幅值目的。

得益于其COT 的控制和一些数字接口，这些芯片还能做到快速的负载响应，也可以对模块进行在线监控，读到输入电压、输出电压、输出电流、温度、各种保护告警状态等各种数据。针对于一些不太希望用数字接口的客户，MPS还提供了一些模式选择功能，通过一颗电阻提供7种不同的工作模式选项，这就大大扩展了其应用范围。例如常见的 FPGA 和 ASIC 电源、电信和 AI 加速卡里面一些支路接口电源、PCIe 加速卡，甚至在光模块和工业自动化里面，MPS的这些芯片都能发挥重要的作用。
虽然那么强大，但这两颗料的封装的尺寸却是非常小（MPM54522是 5x6.5x2.9mm 。MPM54322是 5x5.5x1.8mm ），这就让其拥有更大的灵活性。

而为了增强其散热能力，MPS在这系列产品中引入了一种基板嵌入式设计。具体做法是将其晶圆被嵌入在基板里，然后把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，能实现有效的进行热交换，使电感本体和晶圆之间达到热平衡。借助这样一体化的
热设计，整个设计中不再存在某些过热的瓶颈，从而可以从整体上提升模块的热性能。
“通过在晶圆的顶部加装特别的金属块，能快速地把晶圆的发热传导至封装后模块的表面，这与散热器配合可以极大地降低晶圆的结温，进一步减少发热问题。”涂瑞说。
利用这个设计，MPS推出一款名为MPM54524的产品。这颗产品的输电压范围覆盖了从 4V 至 14V 再到 16V 。同时，它也应用了 ACOT 这种控制方式，能够实现超快速的动态响应。此外，还能支持有源的双相并联，能够自动去对负载进行一个动态分配。该芯片还支持无源的双相、三相甚至是四相一起并联。

据涂瑞介绍，MPS还提供了一款集成散热器的产品MPM82504E，其主要的一个优点是可以支持四路 25A 输出，能够集成数字接口I2C；同时，这个模块也支持多相并联。输出的配置模式也是非常灵活，可以支持四路 25A 输出，也可以两两并联输出 50A，也可以3路并联输出75A，甚至4路并联输出100A。“在一些需要更大电流的应用场景，我们拿两颗 82504 并联在一起，可以做到比如说6路并联、7路并联或者8路并联。我们最大可以做到通过8颗82504并联扩展至800A 。”涂瑞告诉记者。

来到负载智能分配方面，MPS推出了具备此功能的电源模块MPM54313，其三路输出降压电源模块，每路输出电流3A且独立供电。热状态下输出通道间短接时，模块内部的负载智能分配电路可迅速实现在线负载均流，然后支持9A输出（最大可支持12A）。此外，该电源模块的数字接口能实时反馈供电电压、电流、温度、告警等监控信息，也能够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，降低客户产品的供电端口体积和成本。

MPM3596则是MPS推出的一款电磁兼容方面性能比较优异的芯片。

首先，该芯片采用了双边输入电容的设计，可以保证输入的功率能够对称排布，减少电磁波对外的辐射；其次，该芯片也支持开关频率可调，客户可以根据自己系统级的一个具体的EMI要求，对这一颗芯片的开关频率进行调节，调节这个频率辐射的峰值点；第三，该芯片还有一个主动的主频率拓展功能（俗称抖频功能），能把峰值的EMI能量抖频到其他的频率段去。从MPS提供的数据我们可以看到，在做这 Class 5 RE 测试的时候，MPM3596的辐射测试值是远远小于这个Class 5的标准。
具体到性能方面，如图所示，该芯片能够支持一个超宽电压输入，其输出电压的范围也是非常的宽。在单颗使用的时候，该芯片还可以工作在两路，分别输出3A或者是两路并联在一起单颗输出6A的工作模式。而在当客户需要更大的一个输出电流时，我们甚至还能够拿多颗MPM3596进行并联，最多实现6颗并联到36A的输出。