為什么會使用電源模塊？不同的人有不同的答案。

 “MPS開發電源模塊的初衷是為了提供更簡單、更易用、更高可靠的產品。通過這樣的方法，來壓縮客戶硬件開發周期，減少PCB設計中反復迭代而產生的研發資源浪費。”12月6日，隨著Monolithic Power Systems, Inc.(MPS)電源模塊產品線上媒體發布會成功舉辦，MPS又一次引發了業界的廣泛關注。

 相對于分立器件方案，電源模塊的突出優勢是電路簡單、體積小和散熱優，這也是越來越多人選擇模塊產品的重要原因。“從過去的客戶支持的經驗來看，使用電源模塊會比傳統的分立方案減少多達70%的設計時間。”MPS電源模塊產品線經理涂瑞進一步解釋：“從體積上來看，通過各種3D堆疊的方法，將電感本體和IC本體封裝在同一塊區域內可以減少大量的平鋪面積，為客戶節省PCB占板空間；從散熱上來看，MPS通過這種3D堆疊技術對電感進行特殊處理，將底部IC的發熱通過電感本體或者表面進行加強散熱，可以有效地消除解決方案中芯片的發熱瓶頸，提高整個方案的散熱能力；從管腳的設計上來看，電源模塊的Vin、GND、Vout功率路徑設計，可以針對客戶不同的應用做出更優化的管腳布局，使得功率回路最短，也能夠進一步提升諸如EMI的性能。”

電源模塊面臨的困難與挑戰

 從2020年開始，電源模塊的需求量增長非常迅速，特別是5G基站、5G中回傳相關的路由設備、交換設備、光模塊級相關板卡設備。并且隨著AI大數據領域以及超級計算機或者超級計算單元等應用的迅猛發展，大電流和高功率密度模塊以及高能量密度的電源模塊也將迎來爆發式的需求增長。

那么我們將會遇到什么樣的困難和挑戰呢？

 涂瑞指出，電源模塊設計中面臨的首要挑戰是功率密度和模塊體積的要求越來越嚴格。電源方案和計算系統方案深度集成，進一步帶來了更嚴苛的挑戰：1.處理單元的功率需求更高，從600W到1kw，甚至朝著2kw邁進；2.處理器電流更大，從幾百安培增加到1千安培；3.隨著負載功率增加，客戶對效率的要求也會更高，90%以上的效率已經是這類需求的家常便飯；4.更令人頭疼的是，功率需求增加，整個單元的占板面積反而要求越來越小。所以這些矛盾點構成了對電源模塊廠家的巨大挑戰。

 除了功率和體積方面的挑戰，在散熱上也會遇到很多的挑戰。比如現在常見的基站的發射桿塔，桿塔上的設備對電源的需求幾乎湊齊了所有嚴苛的散熱條件：高溫、無風、熱源。

 而且在越來越多的應用領域，涉及到通用FPGA或者專用ASCI芯片的供電需求越來越多。比如有各種AI加速卡之類的供電、有超級計算機的計算單元的供電，有5G設備中專用的ASCI數據處理接口芯片的供電，還有一些工業測試機或者工業自動化設備中供電。這些FPGA的負載，都有著相似特點：1.電源負載數量越來越多，不同的電壓軌越來越多；2.電源通道數量增加，開關機時序也日漸嚴格；3.供電通道多，通道之間的電磁兼容問題日漸突出。

 從供應鏈角度來講，供應鏈工程師做電源物料管理時，或多或少都希望用一顆芯片來完成盡可能多的設計。但是如何解決這些問題是電源工程師和芯片廠商共同的追求：1.不同的負載，對供電電壓要求差別很大，甚至還會要求在某個基準電壓附近做動態調節；2.應用不同，供電電源的負載需求也千差萬別；3.設計冗余難定；4.設計方案繼承。

 另外一個方面，我們還面臨著智能化的問題。我們怎么樣來智能地跟蹤負載的需求呢？這就需要我們做到：1.負載端在線智能分配；2.數字接口和智能監控；3.防呆設計和智能檢測；4.智能保護和一些特殊私有化協議的響應。

MPS的設計“芯”思路

 涂瑞認為，多路電源模塊是未來發展的一個很重要的方向。因為多路輸出的模塊，加上3D封裝，能夠顯著地提高電源的功率密度。而且多路輸出模塊可以更方便提升電源的散熱性能，有利于實現通道間的智能化配置，且有更好的EMI性能。

高功率密度和3D封裝的多路電源模塊

 首先，我們可以從系統布局入手，使模塊能更貼近負載芯片，以減小寄生阻抗損耗。減少損耗也能夠進一步地提高功率密度。其次，我們把這個模塊做成更靈巧的模塊外形設計，靈活方便的多路輸出，通過并聯功能增加模塊的輸出能力，也是一種提高功率密度的方式。最后，也是最重要的一點是，3D封裝將晶圓集成在基板內部，與電感一起層疊封裝，進一步壓縮模塊實體的體積，提升功率密度。

 值得一提的是，用3D封裝來提高功率密度，本身與多路設計無關。但是單芯片中多路集成設計，卻可以將3D封裝的優勢發揮到更大。這兩者配合起來比單純的3D封裝更能夠節省布板面積。

 對應產品方面，MPS新推出的雙路輸出系列的電源模塊——超高功率密度的MPM54522/MPM54322。這兩款芯片的輸入電壓范圍都是2.85V-16V，輸出電壓范圍是0.4V-3.8V，輸出電流可支持雙路，提供可選的LDO的功能。封裝尺寸非常小，MPM54522是 5x6.5x2.9mm，MPM54322是5x5.5x1.8mm。兩款芯片都能夠支持雙路遠端采樣功能，雙相自動交錯工作，快速負載瞬態，COT控制，精確的I2C遙測功能。針對于一些不太希望用數字接口的客戶，MPS還提供了一些模式選擇功能，通過一顆電阻可以選擇7種不同的工作模式。它的應用領域也比較廣泛，可應用在FPGA和ASIC電源，電信，AI和計算，PCIe加速卡，光模塊，工業自動化等。

優化散熱的多路電源模塊

 在常規的模塊內部布局，模塊內部的器件發熱其實并不均勻，這樣晶圓的溫度過高就成了限制整個模塊功率能力的瓶頸。針對發熱晶圓和器件，MPS通過內置散熱器或者3D封裝可以實現熱平衡。

 對應產品方面，MPS有一款電感和晶圓整體散熱的芯片，叫做MPM54524。它的輸電壓范圍較寬，4V-16V 輸入，同時它應用ACOT控制方式，能夠實現超快速的動態響應。同時它能支持有源的雙相并聯，無源的雙相、三相甚至是四相一起并聯。同時該芯片在不并聯的時候，可以變成四路分別獨立的輸出，分別四路獨立的輸出也都支持電壓遠端采樣。同時該芯片也是一款數字模塊，模塊可以通過數字配置。MPS做過一些實際測試，在12V轉3.3V時，MPM54524的峰值效率可以達到92.3%。它是目前業界能夠輸出20A負載的最小封裝的模塊，封裝尺寸為8mmx8mmx2.9mm。

智能化多路電源模塊

 如今，光模塊端口的供電方案已經從傳統走向智能。為應對智能化的挑戰，工程師可以選擇MPS的三路輸出降壓電源模塊MPM54313。該模塊每路輸出電流3A，獨立供電。此外，該模塊的數字接口能實時反饋供電電壓、電流、溫度、告警等監控信息，也能夠通過數字的方法來對模塊的某一路進行開通和關斷的操作，減少供電端口外圍監控電路設計。在使用MPM54313智能電源模塊方案后，可以節省65%的板上空間和60%的BOM成本，提高1%-2%的轉換效率。

多路與EMI優化

 針對高集成度設計帶來EMI性能優化需求，MPS采取了四大性能優化：緊湊走線---縮短SW Copper的天線效應，多路集成---實現內部電磁干擾的實時補償，基板優化---過孔通流的磁場優化設計，抖頻功能---EMI薄弱點實現能量分散。

 MPM3596就是一款EMI性能卓越的電源模塊。MPM3596采用雙邊輸入電容的設計，保證輸入的功率的對稱排布，同樣也支持開關頻率可調，可根據自己系統級的具體的EMI要求，來調整頻率輻射的峰值點。此外，該模塊還擁有主頻率拓展功能，支持通過一顆IO口配置成ADC輸入，從而解決部分設計中ADC不夠用的問題。

 作為全球領先的高性能電源解決方案專家，MPS的系列新電源模塊產品的核心競爭優勢在于不僅能夠提供緊湊而強悍的供電解決方案，還能減少開發成本，靈活應對不同場景和需求。MPS，讓電源模塊未來可期。