(電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道 文/章鷹) 2022年12月，中國(guó)5G通信市場(chǎng)和服務(wù)器傳來(lái)好消息，根據(jù)工信部發(fā)布的《2022年1—10月份通信業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況》顯示，截至10月末，5G基站總數(shù)達(dá)225萬(wàn)個(gè)，比上年末凈增82.5萬(wàn)個(gè)，占移動(dòng)基站總數(shù)的20.9%，占比較上年末提升6.6個(gè)百分點(diǎn)。5G基站耗電比4G4G時(shí)代大幅提升，這對(duì)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)很高的維護(hù)成本。因此如何幫助基站降功耗對(duì)于5G基站的電源產(chǎn)品而言是最為重要的。

“2022年和2023年，5G市場(chǎng)電源出貨量增長(zhǎng)比較大，特別是5G基站、以及5G中回傳相關(guān)的路由設(shè)備、交換設(shè)備、光模塊級(jí)相關(guān)板卡設(shè)備，這種是模塊電源較大的出貨對(duì)象；而到了2023年和2024年，隨著AI大數(shù)據(jù)領(lǐng)域、以及超級(jí)計(jì)算機(jī)或者超級(jí)計(jì)算單元等應(yīng)用的迅猛發(fā)展，大電流和高功率密度模塊、以及高能量密度的PowerBlock模塊也將會(huì)迎來(lái)爆發(fā)式的需求增長(zhǎng)。”MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞對(duì)電子發(fā)燒友記者表示。

為何在5G、AI和HPC三大領(lǐng)域，模塊電源呈現(xiàn)出旺盛的發(fā)展勢(shì)頭？與分立器件相比，模塊電源有哪些優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)挑戰(zhàn)？MPS的新品如何解決這些挑戰(zhàn)？MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞給出了明確的答復(fù)。

圖：MPS電源模塊產(chǎn)品線經(jīng)理涂瑞

模塊電源的市場(chǎng)展望和優(yōu)勢(shì)

為什么使用模塊電源？涂瑞指出，MPS開(kāi)發(fā)電源模塊的初衷，是為了盡可能給客戶提供更簡(jiǎn)單、更易用的產(chǎn)品，提供可靠性更高的產(chǎn)品，通過(guò)模塊電源來(lái)壓縮客戶硬件開(kāi)發(fā)周期，減少PCB設(shè)計(jì)中反復(fù)迭代而產(chǎn)生的研發(fā)資源浪費(fèi)。

MPS在支持客戶做電源產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的分立方案電源設(shè)計(jì)中，從芯片選型、到被動(dòng)元器件計(jì)算和選擇，整個(gè)過(guò)程就需要至少2周，甚至長(zhǎng)的需要到3個(gè)月；接下來(lái)較為復(fù)雜的原理圖和Layout設(shè)計(jì)、回板調(diào)試驗(yàn)證，這種工作都需要大量的時(shí)間。而電源模塊產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是，高度集成，可以給客戶省去大量前期選型、驗(yàn)證的時(shí)間，并能幫助客戶減輕原理圖和Layout的耗時(shí)；從過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)看，我們使用電源模塊會(huì)比分立方案減少多達(dá)70%的設(shè)計(jì)時(shí)間。

從上面圖表中，我們看到左圖100A分立方案有它的控制器、DrMOS和其他的很復(fù)雜的外圍器件來(lái)構(gòu)成這樣一個(gè)分立方案。每個(gè)部件之間都需要比較復(fù)雜的連線，原理圖看起來(lái)復(fù)雜難懂，工程師做起來(lái)就會(huì)感覺(jué)更加頭疼。MPS將100A的方案做成一個(gè)電源模塊集成到里面去，右圖可見(jiàn)。對(duì)于客戶閱讀和硬件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，就非常友好。他只需要一些簡(jiǎn)單的輸入電容和必要的輸出電容。

此外，電源模塊還有兩大優(yōu)勢(shì)：體積小和散熱優(yōu)勢(shì)，這些也是客戶選擇的原因。我們可以看到，電源模塊的設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)各種3D堆疊的方法，將電感本體和IC本體封裝在同一塊XY的區(qū)域內(nèi)，這樣可以減少大量的平鋪面積，為客戶的PCB板節(jié)省1/3甚至高達(dá)1/2的占板空間。散熱問(wèn)題，MPS通過(guò)這種3D堆疊技術(shù)，可以通過(guò)對(duì)電感進(jìn)行一個(gè)特殊處理。有效地消除解決方案中芯片的發(fā)熱瓶頸，提高整個(gè)方案的散熱能力。

從2020年開(kāi)始，除了AC到DC的這種一次電源模塊，就是這種轉(zhuǎn)48伏那種常規(guī)的，僅僅是二次電源模塊（也就是傳統(tǒng)DC-DC電源模塊產(chǎn)品）需求，包括板塊電源，包括最后的POL電源等等，需求量增長(zhǎng)非常迅速。從2020年的2億美元的小眾市場(chǎng)，逐步成長(zhǎng)至2024年，預(yù)估會(huì)成為接近10億美元的較大市場(chǎng)。如果包含廣義上集成電感的PowerBlock和一些特種應(yīng)用的需求，整個(gè)電源模塊市場(chǎng)的需求量會(huì)更大。

在5G宏基站上，MPS可以提供整套POL電源，覆蓋AAU和BBU（或者是CU+DU），MPS的電源正在幫助客戶降低整板功耗，節(jié)省空間。除了DCDC，MPS近年來(lái)推出多款電源模塊，將晶圓，電感，電容和其他外圍器件以芯片級(jí)的封裝技術(shù)封裝在一個(gè)很小的體積里，可以降低客戶大電流電源設(shè)計(jì)的難度，加快設(shè)計(jì)周期。2023年和2024年，隨著AI大數(shù)據(jù)領(lǐng)域、以及超級(jí)計(jì)算機(jī)或者超級(jí)計(jì)算單元等應(yīng)用的迅猛發(fā)展，大電流和高功率密度模塊、以及高能量密度的PowerBlock模塊也將會(huì)迎來(lái)爆發(fā)式的需求增長(zhǎng)。

電源模塊設(shè)計(jì)六大挑戰(zhàn)和MPS新品方案

電源模塊設(shè)計(jì)面臨哪些挑戰(zhàn)？1、首先面臨的挑戰(zhàn)，就是功率密度和模塊體積的要求越來(lái)越嚴(yán)格。大家可以看到這是一個(gè)OAM數(shù)據(jù)處理單元，某型OAM單元，單板上處理器的需求功耗是600W，已經(jīng)遠(yuǎn)超之前的單顆電源模塊的輸出功率了。而隨著OAM標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，整個(gè)單元中電源方案需要和計(jì)算系統(tǒng)方案會(huì)深度集成，進(jìn)一步帶來(lái)了更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)；2、更高的處理電流，從幾百安培增加到1千安培，甚至我們看到有一些比較領(lǐng)先的一些設(shè)計(jì)，已經(jīng)朝著2kw在邁進(jìn)；3、隨著負(fù)載功率增加，客戶對(duì)于效率要求越來(lái)越高，90%以上的效率已經(jīng)成為一些標(biāo)準(zhǔn)；4、功率需求增加，整個(gè)單元的占板面積客戶要求反而要越來(lái)越小。

還有兩大挑戰(zhàn)，散熱要求嚴(yán)苛，而且在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及到通用FPGA或者專(zhuān)用ASCI芯片的供電需求也越來(lái)越多。比如有各種AI加速卡之類(lèi)的供電、有超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算單元的供電，有5G設(shè)備中專(zhuān)用的ASCI數(shù)據(jù)處理接口芯片的供電，還有一些工業(yè)測(cè)試機(jī)或者工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中供電。智能化需求也在增加，例如一些負(fù)載會(huì)突變，在線會(huì)發(fā)生負(fù)載極大變化的這種應(yīng)用，那我們?cè)趺礃幽軌蛑悄艿姆峙湄?fù)載，動(dòng)態(tài)的分配負(fù)載，讓客戶來(lái)更好的設(shè)計(jì)方案。

MPS采取了創(chuàng)新電源芯片設(shè)計(jì)思路。涂瑞指出，多路化的電源是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)很重要的方向。因?yàn)槎嗦份敵龅哪K，加上3D封裝，帶來(lái)四大優(yōu)勢(shì)。1、多路輸出的3D封裝模塊提高電源功率密度；2、多路輸出的模塊更方便提升電源的散熱性能；3、多路輸出模塊利于實(shí)現(xiàn)通道間智能化配置；4、多路輸出模塊有更好的EMI性能。

MPS最新推出的雙路輸出系列的電源模塊。一個(gè)超高功率密度的MPM54522和54322家族。這兩顆產(chǎn)品，它的輸入電壓范圍都是從2.85V到16V，輸出電壓范圍是從0.4V到3.8V。它的輸出電流呢，稍微大一點(diǎn)的MPM54522可以支持雙路分別輸出6A，并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)12A的輸出。然后小一點(diǎn)MPM54322，它可以支持雙路3A輸出，并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)6A輸出。然后這一顆如果它的輸入電壓軌能夠降低到3.3V，它的發(fā)熱會(huì)更低，就能夠支持到雙路分別輸出5A，單路并聯(lián)起來(lái)可以輸出10A。

針對(duì)客戶的一些要求，這兩顆芯片還可以提供可選的LDO的功能。這兩個(gè)芯片都能夠支持雙路分別進(jìn)行遠(yuǎn)端采樣，來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)更高精度的電壓控制。在并聯(lián)的時(shí)候，能支持雙相自動(dòng)交錯(cuò)并聯(lián)，來(lái)提高這個(gè)紋波頻率，來(lái)減小紋波幅值目的。

在加強(qiáng)型就是內(nèi)部增加散熱器的這種思路下，MPS推出了一個(gè)集成散熱器的MPM82504E，它的主要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以支持四路25A輸出，同時(shí)它也能夠集成I2C的這個(gè)數(shù)字接口。同時(shí)這個(gè)模塊它也支持多相并聯(lián)。它輸出的一個(gè)配置模式是非常靈活的，可以支持四路25A輸出，也可以?xún)蓛刹⒙?lián)輸出50A，也可以3路并聯(lián)輸出75A，甚至4路并聯(lián)輸出100A。

在一些需要更大電流的應(yīng)用場(chǎng)景，我們拿兩顆82504并聯(lián)在一起，可以做到6路并聯(lián)、7路并聯(lián)或者8路并聯(lián)等等。我們最大可以通過(guò)8顆82504并聯(lián)擴(kuò)展至這個(gè)800A的一個(gè)負(fù)載能力。

AI應(yīng)用和5G邊緣服務(wù)器對(duì)電源要求有什么不同？涂瑞對(duì)電子發(fā)燒友記者表示，最大的不同是，服務(wù)器供電以及AI計(jì)算單元的供電，電流非常大，功耗功率會(huì)更大，那針對(duì)于這一點(diǎn)它的要求就會(huì)顯而易見(jiàn)，要求效率更好、功耗更低。二、對(duì)于PCIe這些AI的供電，它還對(duì)數(shù)字部分的功能有一個(gè)比較要嚴(yán)格的要求。電源開(kāi)發(fā)方面就需要對(duì)一些接口協(xié)議進(jìn)行更多的關(guān)注，半導(dǎo)體公司需要不斷地隨著這個(gè)協(xié)議去更新數(shù)字接口，還有相應(yīng)的升級(jí)一些數(shù)字功能。但是現(xiàn)在普遍廠商的開(kāi)發(fā)周期比較短，針對(duì)于這一類(lèi)應(yīng)用，電源芯片的開(kāi)發(fā)周期要求越來(lái)越短，所以對(duì)于這一款應(yīng)用，需要半導(dǎo)體廠家有一定的前瞻性，還更需要積極主動(dòng)地去參與到這些協(xié)議的制定和討論里邊去，才能滿足客戶的實(shí)際的產(chǎn)品交付周期。針對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的需求，專(zhuān)門(mén)針對(duì)PCIe卡和AI加速卡應(yīng)用，MPS推出了MPM3695-100、MPM82504，還有我們的MPM54524這一系列模塊，都是針對(duì)于這些應(yīng)用領(lǐng)域，出貨量前景看好。

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