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复杂电源系统中的明星:数字化多路电源模块将即将崭露头角

2022-12-07 10:29:51 来源:MPS 点击:2828

近几年来,板级电源模块产品呈现爆炸式发展态势,其集成度高、体积紧凑的优点,吸引了越来越多的终端客户选择。而越来越多的应用类型、越来越复杂的使用场景,也对电源模块产品提出了更高的挑战。如何达到性能最优?如何提升用户设计体验?如何增强可靠性?各种尖锐的问题,促使IC电源厂商不断追求着控制策略优化、工艺优化、设计结构优化。MPS在电源模块产品设计方面有着自己独到的理解和技术沉淀,并藉此推动电源模块产品的交付量迅猛增长。

什么是板级电源模块?答案似乎很简单:把诸如阻、容、感等被动器件,与电源IC封装在一起形成一个整体,这就是一个典型的板级电源模块。但是,这样简单将单颗IC结合被动器件组装出一个电源模块,能否完全激发出性能潜力?这个问题值得电源厂商思考。让我们先来聚焦电源模块应用,甚至推广到板级电源应用中存在的一些痛点:

· AI、数据计算等应用领域,对更大电流能力、更高功率密度解决方案的需求;

· 更紧凑的装配空间,更苛刻的散热条件,导致产品在追求更小体积和更好散热之间难以取舍;

· 越来越复杂的系统让供电轨数急剧增加,如何更好的布板、梳理复杂的电源层、优化电源时序控制、优化EMI问题,也让硬件工程师头痛不已;

· 电源模块通用性需求,为减轻供应链管理难度,物料归一化呼声日渐增多;

· 电源模块智能化、数字化趋势明显,诸如智能均流、智能并联、在线监控等功能,逐渐成为复杂系统供电设计的刚需。

面对这些硬件设计中的痛点,多路数字电源模块的优势越来越明显。除了满足客户常规的“小体积”需求外,其“高效散热、可扩展性、可兼容性、智能化”等特点更能给实际硬件设计带来前所未有的便捷。MPS如何将模块做到既小又好,让我们来一睹它们的技术细节。

电源模块痛点

图1 电源模块的痛点聚焦

· 高功率密度和3D封装的多路模块

Ø 3D封装大幅减小占板面积,有效提高布局密度;

Ø 更灵巧的模块外形设计,模块能贴近负载端放置,减小布局带来的线路损耗;

Ø 灵活方便的多路并联模式,单一输入源可降低布板复杂程度,进一步减少线路损耗;

Ø 并联功能增加模块的输出能力,更让电路工作在多相交错状态,减小模块开关损耗

MPS推出的MPM54322和MPM54522是两款比较优秀的高功率密度的3D封装电源模块。其中MPM54322支持双路 3A,并联可实现 6A 输出; MPM54522则可支持双路 6A,并联可实现 12A 输。5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的极小尺寸,让这两款模块在AI加速卡供电以及光模块等PCB布局空间极为狭小的应用场景中大显身手。

3D封装示意图

图2 典型3D封装示意图

·优化散热设计的多路电源模块模块

3D封装三热仿真

图3 电源模块3D封装三热仿真

加强散热型设计仿真

图4 电源模块加强散热型设计仿真

Ø 特殊的3D封装,将本体温度较低、导热性能较好的金属粉末电感层叠安装在晶圆上方。电感磁芯导热系数高,能有效帮助晶圆散热,从而消除整个模块中的散热瓶颈,使模块整体发热均匀、减轻系统级散热压力。在此基础上,单颗多路输出的PMIC晶圆配合多颗电感的3D封装方式,更能把散热优势推向极致。

Ø 针对大电流产品,在模块内部晶圆上增加高导热系数的散热零件,也是有效消除晶圆散热瓶颈的方式。

MPS推出的业界体积超小的20A电源模块MPM54524是优化散热设计的一个典型例子。它采用了ECLGA封装,体积压缩到8mmx8mmx2.9mm,与此同时散热性能优于同性能的分立器件解决方案。此外在12V转3.3V应用下,满载效率大于90%,峰值效率可达92.3%。另外,该模块可支持四路单相5A输出,或双相并联输出两路10A,还可支持三相并联15A和四相并联20A,极大减小了中、大电流应用场景下的开关损耗。

· 多路输出及负载智能分配的电源模块

在一些板卡或者其他系统组件热插拔操作中,常常会遇到一种头疼的场景:由于来自不同供应商的热插拔组件中供电负载不确定性太大,前级供电系统不得不添加较多的被动器件,用来支持不同的负载需求。我们来看交换机中光模块端口供电的传统设计方案:

传统光模块端口供电

图5 传统光模块端口供电方案

各型光模块协议定义中,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。这样定义的初衷,是由于光模块接收端、发射端对电源噪声较为敏感,独立供电能尽可能将电源噪声隔离,提高光模块传输性能。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,于是在很多光模块设计中会在内部将3路走线连接在一起。这样,光模块端口在插入不同厂家生产的光模块时,会有两种可能性:3路3.3V独立供电,或者3路3.3V被短接在一起集中供电。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。

MPS推出具备智能负载分配功能的电源模块MPM54313则能干净清爽地解决此类问题。三路输出降压电源模块,每路输出电流3A,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,支持9A输出。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,减少供电端口外围监控电路设计。在使用智能电源模块方案后,供电端口体积和成本大大降低:

智能光模块端口供电

图6 智能光模块端口供电方案

· 多路电源模块EMI优化及数字监控功能

在MPS多路输出电源模块家族中,除前文提及的各种独门秘技外,数字监控、上位机辅助调试、EMI优化等家族式特点更推动电源模块产品成为硬件工程师们的首选。

数字化上位机辅助调节

图7 数字化上位机辅助调节界面

某型多路输出电源模块EMI辐射测试

图8 某型多路输出电源模块EMI辐射测试曲线

数字监控功能得益于MPS晶圆设计的传统积累,能提供模块运行状态监控、开发调试、数字配置保存及导入等一系列功能。而EMI设计方面,通过器件3D布局,减少SW Copper的天线效应;多路集成化设计则可以实现内部电磁干扰的实时补偿;基板设计上,在功率平衡流动和过孔通流方面做文章,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。

在电源模块应用领域,MPS优势独特,可以帮助客户成功、快速地开发安全、智能、可靠的解决方案。作为一家全球领先的半导体供应商,MPS凭借敏锐的洞察力和优秀的模块设计,可以满足复杂多变的供电需求,助力客户创造更大产品价值。

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