近年来，芯片行业火热，诞生出“无VC不投半导体”的一句流行语。芯片至关重要，而要让它正常工作，电源必不可少。

目前来说，电源设计分为两种流派，一种是使用分立器件，另一种是使用模块产品。打个比方来说，前者是用零散的积木搭出电源方案，灵活度很高但所有东西都要自己组装，后者是用原厂黏合得严丝合缝的方块搭出的电源方案，而且每个小方块都是原厂精心调试过的。

实际上，对电源芯片行业来说，分立器件和模块产品都至关重要，但由于模块产品明显在功率密度、尺寸、成本上更具优势，同时使用模块产品也能够减少设计时间、增强整体可靠性，电源模块便成了厂商的纷争之地，近年来不断推陈出新。

MPS（Monolithic Power Systems，芯源系统）作为领先的国际半导体公司，持续深耕电源模块领域，旨在让电源设计工作变得妙趣横生。

电源模块缘何被热捧

从发展趋势来看，电源模块市场增速极为明显。2020年，传统的DC-DC电源模块、板块电源、POL电源等仅是一个2亿美元的小众市场，预计2024年，市场将会成长至将近10亿美元。如果再涵盖广义上的集成电感电源模块或特殊应用需求的电源模块，整个电源模块市场需求量还会更大。

比如说，商用将近三年的5G，与其相关的路由设备、交换设备、光模块级相关板卡设备对电源模块出货量需求逐年增长。再比如， AI大数据领域、超级计算机或超级计算单元等应用，需要使用大电流、高功率密度、高能量密度的电源模块，正因如此，预计2023或2024将会迎来爆发式的需求增长。

那么，为什么这些市场选择使用电源模块？

“尽管市面上存在各式各样的电源模块产品，但MPS开发电源模块的初衷是尽可能为客户提供更简单、更易用、更可靠性的产品，通过这样的方法，压缩客户硬件开发周期，减少PCB设计中反复迭代而产生的研发资源浪费。”MPS电源模块产品线经理Roy Tu如是说。

普遍来说，传统分立电源设计方案，从芯片选型到被动元器件的计算和选择，就需2周至3个月，接下来较为复杂的原理图和Layout设计、 回板调试验证等工作则会需要更大量的时间。

电源模块产品解决的就是这种问题，其特性为高度集成，可为客户省去大量前期选型、验证的时间，并能帮助客户减轻原理图和Layout的耗时，相比来说，使用电源模块会比分立方案减少多达70%的设计时间。

以一个100A应用案例来看，分立器件设计拥有控制器、DrMOS以及其他的很复杂的外围器件构建而成，整体看起来更为复杂。电源模块则非常简洁，只需一些简单的输入电容和必要的输出电容，更易于设计和阅读。

电源模块的体积和散热优势是客户选择的主因之一。

电源模块可通过3D堆叠的方法，将电感与IC封装在同一块XY区域内，节省三分之一甚至二分之一的PCB板占板空间。与此同时，电源模块的功率路径设计也更为优化，使得功率回路最短、也能够进一步提高诸如EMI之类的客户更关心的性能。

决定木桶水量的是桶上最短的木板，而决定电源系统散热能力的，则是发热量最大的部件。通过3D堆叠技术，可对电感进行特殊处理，有效消除芯片的发热瓶颈，提高整个方案的散热能力。

激增下的五个挑战

电源模块需求增加下，难免面临新的挑战。其中包括五个方面：

其一，功率密度和模块体积要求越来越严格。随着OAM标准的演进，整个单元中电源方案需要和计算系统方案会深度集成，进一步带来了更严苛的挑战。更为头疼的是，需求的增加将带来一系列的连锁反应。处理单元功率需求从600W到1kw，甚至朝着2kw在迈进；处理器电流则从几百安培增加到1000安培，甚至是2000安培及以上；随着负载功率增加，90%以上效率已是这类需求的家常便饭；而功率需求增加，整个单元的占板面积客户要求反而要越来越小。

其二，散热的难题。拿最为明显的基站为例，几乎凑齐了所有严苛的散热条件，比如，基站地域分布广，部分环境温度过高；5G杆塔AAU单元集成度高，但铜铝散热器又全部依靠散热器与环境空气热交换；数据通信流量暴增，5G杆塔功率负载增大，发热更多。

其三，更多的输出电压轨挑战。由于电源负载数量越来越多，不同的电压轨也越来越多；而电源通道数量增加，开关机时序也日渐严格；同样，供电通道多，通道间的电磁兼容问题也会突出。

其四，通用性的挑战。不同负载对供电电压要求差别很大，而客户需要的是能够兼顾不同电压需求的产品；根据应用不同，供电电源负载需求千差万别，客户也需要能用尽可能少的物料，来覆盖尽可能广的负载电流范围；很多硬件设计中，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，这就需要在性价比最优的情况，拥有过更多的设计冗余量；此外，终端产品硬件不断迭代下，拥有更充足可扩展能力的方案也是电源工程师的重要诉求。

其五，智能化的挑战。大部分应用对Type-C、MCU通讯、辅助电源等有需求，如此复杂的系统之下，如何用更少的芯片完成更多的智能功能是值得思考的问题。比如说，负载会突变的应用，该如何智能动态分配负载；又或者，是需要智能充电的应用场景，该如何识别BMS提供过来的信息；再有，就是一些ASIC、FPGA通讯类的应用需要严格根据负载进行电源调节，该如何智能跟踪负载需求，这些均需在负载端搭载在线智能分配、数字接口、智能监控、防呆设计等。

MPS是如何面对挑战的

MPS认为，多路电源模块将是未来发展的重要方向，它共有四点优势：其一，多路输出的模块的3D封装能够显著地提高电源的功率密度；其二，多路输出模块更方便从整体来设计电源的散热方案；其三，由于整体集成在一起，中间使用了同一个控制的大脑，这个大脑比较容易识别每一路输出的这一个状态，可以实现智能化配置；其四，多路输出模块它会有更好的EMI性能。

从高功率密度上来讲，多路电源模块设计可以跳出常规思路，且可做成灵活的多路输出，赋予模块通道之间能够自由并联的能力，此外，多路电源模块能够将3D封装的优势发挥到更大，进一步压缩模块实体的体积，提升功率密度。

MPS最新推出的MPM54522和54322便是超高功率密度的代表，可应用于ASIC&FPGA电源、电信、AI、计算、PCIe加速卡、光模块、工业自动化。此外，针对客户要求，两颗芯片还可提供可选的LDO功能，支持双路远端采样实现更高精度电压控制，并联时支持双相自动加错并联提高纹波频率。

从散热上来讲，电源模块内部器件发热并不均匀，一般电感温度会远低于IC晶圆发热温度，晶圆过高的温度成为限制模块功率能力的瓶颈。

MPS通过基板嵌入式设计，将晶圆嵌入基板上，并将电感贴装在基板表面，电感与IC晶圆间通过玻璃纤维和导热胶体有效地进行热交换，使电感与IC晶圆之间达到热平衡。

MPS最新推出的MPM54524便是如此设计，整体散热性能极佳的一款产品，这款产品最大的特点是封装做到了8mm x 8mm x 2.9mm，高度不超过3mm，是业界目前能看到最小的20A的模块。

MPM82504E为散热加强型，通过内部增加散热器，可支持四路25A输出，集成I2C数字接口，支持多相并联，一些需要更大电流的应用场景，可将MPM82504E并联在一起，可以做到6路并联、7路并联或8路并联等，最大可通过8颗MPM82504E并联扩展至800A的负载能力。

从智能化上来讲，各型光模块协议定义中，都将进入光模块金手指的3.3V供电电源分成3路，分别为光模块的接收端、发射端，以及内部逻辑控制电路供电。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，于是很多光模块设计中会在内部将3路走线连接在一起。传统的供电设计则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。

Roy Tu强调，这样设计使用肯定没有问题，但冗余的设计导致了供电端口体积剧增，硬件成本也会随之飙升。

MPS最新推出的MPM54313则具备智能负载分配功能的电源模块，能干净清爽地解决此类问题。三路输出降压电源模块，每路输出电流为3A，且各路独立供电。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。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。

根据介绍，MPM54313实际使用中，可节省65%的板上空间，节省60%的BOM成本，提高1%~2%的转换效率。

从EMI上来讲，传统多路供电应用中，芯片数量繁多，不同客户PCB布板水平参差不齐，导致不同设计下EMI的性能差异巨大。

MPS最新推出的MPM3596则是针对这些痛点优化，实现优异的EMI性能。该产品通过器件3D布局，减少SW Copper的天线效应；而MPS多路集成化设计可在电源内部实现电磁干扰的实时补偿；基板设计上，通过优化磁场分布来约束电磁辐射；此外，抖频功能够帮助EMI频段薄弱点实现能量分散，减小了辐射峰值。

值得一提的是，MPM3596还有一个亮点，即在客户ADC不够用但又不愿意额外增加一块ADC芯片时，能够临时将一颗IO口配置为ADC输入，对某些信号做ADC解析。

对于电源模块市场，Roy Tu认为，模块的优势在于体积小、功率密度高、外围设计电路简单、占板面积少等，所以电源模块可能更多地使用在一些比较复杂的系统上面，但在一些成本要求非常敏感的消费类产品，或者客户有比较强大的硬件设计能力时，可能会出于成本考虑，继续使用分立方案，这种市场总量一定会比电源模块大，这个趋势在未来3年内都不会有很大的变化。

但需要强调的是，电源模块市场的未来表现值得期待。纵观2022年整年，电源模块在消费级电子产品中需求量并不大，而在5G和大数据上，不论是政策驱动下，还是在公司驱动下，需求量一直都是在增长的。

纵观MPS的Road Map，在高压45V~75V方面的产品相对更少，未来这将是MPS的发展重点方向，MPS也将朝向更高的输入电压和更大的输出电流方向做进一步拓展。

文/付斌