电源模块市场需求高企，挑战层出不穷

“传统DC-DC电源模块产品的需求量正在迅速增长，从2020年的2亿美元，预计将逐步成长为2024年的约10亿美元，如果包含广义上集成电感的Power Block和一些特种应用的需求，整个电源模块市场的需求量将更大。”近日MPS电源模块产品线经理Roy Tu在公司新品发布会上表示。

市场不断扩大，难题与日俱增

随着电源模块的市场需求不断增长，各种各样的挑战也层出不穷。Roy Tu指出，电源模块设计中面临的首要挑战，就是电源模块对于功率密度和模块体积的要求越来越严格。一个OAM数据处理单元，在单板上处理器的需求功耗是600W，已经远超出了之前的单颗电源模块的输出功率。并且随着OAM标准的演进，整个单元中的电源方案需要和系统方案进行深度集成，随之带来的挑战将更大，主要有四个方面：一是更高的功率瓦数，处理单元的功率需求更高，从600W到1kW，甚至朝着2kW迈进；二是更高的处理器电流，从几百安培增加到1000安培，一直到2000安培及以上；三是更高的转换效率，随着负载功率增加，客户对于转换效率的要求也会更高，通常都需要达到90%以上；四是更小的占板面积，同样来源于客户的要求。

除了以上四个挑战，电源模块在严酷的应用场景下，散热方面同样存在很多问题。例如，应用于5G基站的发射杆塔上的设备对电源模块的需求就极为苛刻：一是使用环境恶劣，基站分布的地域广，在一些比较严苛的环境下会面临极度高温。二是器件布局更加紧凑，例如发射杆塔上的AAU单元的集成度越来越高，传统的风扇散热也将被淘汰，铜铝散热器的散热方案成为主流。这种没有空气流动、全靠散热器与环境空气进行热交换的散热方式，让电源模块设计师十分苦恼。三是随着数据通信流量的暴增，5G基站的发射杆塔上的功率负载快速增长，发热源升温将更快。

此外，随着电源模块的应用领域越来越多，涉及通用FPGA或者专用ASCI芯片的供电需求也越来越多。比如，各种AI加速卡之类的供电、超级计算机的计算单元的供电、5G设备中专用的ASCI数据处理接口芯片的供电，另外，关于工业测试机或者工业自动化设备中供电，也引发了新的问题。例如，电源负载数量越来越多，不同的电压轨越来越多；电源通道数量增加，开关机时序日渐严格；供电通道多，通道之间的电磁兼容问题也会突出。因此，需要设计专门的多通道负载，可靠的供电方案也至关重要。

定制个性化的电源解决方案是破题关键

MPS作为电源模块芯片的领军企业，在芯片的设计和模块的设计上，提供了一些新思路。

Roy Tu表示，多路化的电源模块是未来发展的重要发展方向。原因在于，多路输出的3D封装模块，能够显著提高电源的功率密度，可以从整体上提升电源的散热性能，并且有利于实现通道之间的智能化配置，也会带来更好的EMI性能。

MPS最新推出了两款双路输出系列的电源模块，超高功率密度的MPM54522和MPM54322系列。这两款产品，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。MPM54522可以支持双路分别输出6A，并联可实现12A的输出。MPM54322则可以支持双路3A输出，并联可以实现6A输出。如果它的输入电压轨能够降低到3.3V，它的发热会更低，就能够支持到双路分别输出5A，单路并联起来可以输出10A。

这两个芯片都能够支持双路分别进行远端采样，来实现这个更高精度的电压控制。在并联的时候，能支持双相自动交错并联，来提高纹波频率。它的应用领域广泛，像常见的FPGA、ASIC电源，电信、AI加速卡、PCIe 加速卡，甚至在光模块里都可以使用。

针对需要极致散热的应用环境，MPS采用了一种基板嵌入式设计。晶圆被嵌入在基板里，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，有效进行热交换，使电感本体和晶圆之间达到热平衡，这样一体化的热设计，使整个设计中不再存在某些过热的瓶颈，可以从整体上提升模块的热性能。在晶圆的顶部，加装了特别的金属块。这样晶圆的发热被金属块传导至封装后模块的表面，与散热器配合可以极大地降低晶圆的结温。

采用这项技术的是MPS的新品MPM54524，它的输电压范围是从4V至16V，采用了ACOT的控制方式，能够实现超快速的动态响应，支持有源的双相并联。在12V转3.3V的时候，它的峰值效率可以达到92.3%，是目前业界能够输 20A负载的最小封装的一个模块，尺寸为8mmx8mmx2.9mm，高度只有2.9mm。

此外还有具备智能负载分配功能的电源模块MPM54313、可以三路输出的降压电模块MPM54313等。Roy Tu指出，MPS未来会重点研发输出电压为45V到75V这个阶段的产品，在更高的输入电压和更大的输出电流方面做进一步的拓展。