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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,便把目光投向了开发。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.amcfsurvey.com/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,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。


作为一个电源产品方面的专家,除了上述产品外,MPS还对其未来的产品规划做了一个路线图

在为到公司未来的一个研发思路时,涂瑞回应说:“高压、大电流、高功率密度是永远不会变的一个发展方向,而在这些发展方向的框架内,MPS会更注重电源模块的数字功能和智能化功能这两点。”



关键词: 电源模块 MPS

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