電源模塊化封裝有什么優勢?更大的電流、更高的功率密度和更高的散熱要求，MPS又會如何應對?對于電源模塊化開發又有著怎樣的路線規劃?

12月6日，芯源系統股份有限公司(Monolithic Power Systems, Inc.，下稱MPS)舉行了“更小更易更強”主題電源模塊新品發布會，介紹了MPS電源模塊新產品，分享了當前電源模塊產品發展所面臨的挑戰以及MPS的應對策略。

電源模塊市場發展潛力

相比于傳統的分離電源方案，電源模塊的優勢在于集成度高、體積小、功率密度高，近年來逐漸受到不少電源廠商的青睞。從2020年開始，二次電源模塊市場(也就是傳統DC-DC電源模塊產品)需求量從2億美元的小眾市場迅速增長，預計2024年將接近10億美元，特別是5G基站、以及5G中回傳相關的路由設備、交換設備、光模塊級相關板卡設備都需要大量的模塊電源，而隨著AI大數據領域、超級計算機以及超級計算單元等應用的迅猛發展，大電流和高功率密度模塊、高能量密度的Power Block模塊也將會迎來爆發式的需求增長。

電源模塊市場趨勢預測

電源模塊市場的挑戰

但模塊電源高速發展的同時，也仍存在不少的問題和挑戰。

更高的功率密度和更小的體積要求。電源模塊設計中首先面臨的挑戰，就是功率密度和模塊體積的要求越來越嚴格，處理單元的功率需求從600W提高至1kW甚至2kW，電流從幾十A提高至1000A甚至2000A以上，效率也要求90%以上，但與此同時，整個單元的占板面積要求反而要越來越小，這對電源模塊的功率密度和體積都提出了更大的挑戰。

某OAM數據處理單元

更高的散熱性能。功率密度的提高和體積的減小，本身就會對散熱提出更苛刻的要求，模塊電源的應用環境，更加劇了這一問題的嚴峻性。以典型的基站發射桿塔為例，其對電源的需求幾乎湊齊了所有嚴苛的散熱條件：極高的環境溫度、越來越高的集成度加上銅鋁散熱器的散熱方案，在追求更大功率輸出趨勢下，成為每個電源廠家的難題。

更多的輸出電壓軌。在越來越多的應用領域，涉及到通用FPGA或者專用ASCI芯片的供電需求也越來越多，比如各種AI加速卡的供電、超級計算機計算單元的供電、5G設備中專用ASCI數據處理接口芯片的供電，還有一些工業測試機或者工業自動化設備中供電等等，導致電源負載數量越來越多，電源通道數量增加，不同的電壓軌越來越多，開關機時序也日漸嚴格，如何解決電磁兼容問題，設計出高可靠性的多通道負載方案，也是電源廠商的挑戰之一。

產品通用性差。在很多硬件設計中，不同的負載，對供電電壓要求差別很大，負載對供電電壓要求較寬，負載電流實際大小也與工作環境強相關，加上產品迭代導致其可擴展性差，如何用一顆芯片來完成盡可能多的設計，不僅是電源工程師的訴求，也是芯片廠商在孜孜追求的優化方向。

智能化帶來的挑戰。隨著產品智能化的普及，系統也日趨復雜，各種通訊、接口、輔助電源等容易引發負載突變，如何智能、動態的分配負載以提高方案可靠性同樣是工程師和廠商面臨的挑戰。

MPS“芯”思路 多路輸出+3D封裝模塊

減少70%設計時間。傳統的分立方案電源設計中，從芯片選型、到被動元器件計算和選擇過程往往需要14-90天，較為復雜的原理圖和Layout設計、 回板調試驗證更需要大量的時間。為了給客戶提供更簡單、更易用的產品，提供可靠性更高的產品，減少PCB設計中反復迭代而產生的研發資源浪費，壓縮客戶硬件開發周期，MPS推出了高度集成的電源模塊產品，幫助客戶大量節省前期選型、驗證時間，有效縮短原理圖和Layout耗時。據MPS電源模塊產品線經理Roy Tu介紹，使用電源模塊產品會比分立方案減少多達70%的設計時間。

100A傳統分立方案和模塊電源方案典型應用對比

提高電源功率密度。模塊化可以讓電源設計跳出常規思路，在同樣體積前提下，壓縮它的寬度，使模塊能更貼近負載芯片，這樣可以減少空間浪費，減小寄生阻抗損耗，同時賦予模塊通道之間自由并聯的能力，減少組件之間 Clearance 帶來的空間浪費，最重要的一點是，3D封裝將晶圓集成在基板內部，與電感一起層疊封裝，提升功率密度，由此帶來的另一大好處是可以減少大量的平鋪面積，為PCB板節省1/3甚至高達1/2的占板空間。

超高功率MPM54522/MPM54322系列電源模塊產品

多路電源模塊優化散熱。MPS采用基板嵌入式設計，將晶圓嵌入基板，然后電感貼裝在基板表面，電感和IC之間通過玻璃纖維和導熱的膠體進行有效的熱交換，使電感本體和晶圓之間達到熱平衡，消除了方案中的散熱瓶頸，從整體上提升模塊的熱性能。值得一提的是，MPS的MPM54524這款產品，是目前業界能夠輸出 20A 負載的最小封裝模塊(8mmx8mmx2.9mm)。

MPM82504E系列電源模塊產品

智能分配負載。多路輸出的一大好處是可以智能分配負載，以電源模塊MPM54313為例，可以有效地解決傳統單顆大電流電源通過負載開關、LC濾波電路將電壓軌相對獨立成3路而出現的供電端口體積劇增問題，有效地節省了成本。

MPM54313系列電源模塊產品

高集成度設計優化EMI性能。傳統的多路供電應用中，芯片數量繁多，不同設計方案EMI性能差異巨大，對企業的布板能力和仿真測試要求高，而過器件3D布局，可有效減少SW Copper的天線效應，多路集成化設計則可以在電源內部實現電磁干擾的實時補償，并通過基板設計的功率平衡流動和過孔通流優化磁場分布，約束電磁輻射，滿足客戶EMI性能要求。

MPM3596系列電源模塊產品

結語

目前，MPS電源模塊產品已實現6V-75V輸入電壓覆蓋，涵蓋了低壓檔、中壓檔和車規個36V檔等各種應用場景，談及產品未來發展規劃時，Roy Tu表示，高功率、小型化是模塊電源產品未來發展趨勢，也是MPS的努力方向，MPS未來也將在更高的輸入電壓和更大的輸出電流方面進一步拓展相關產品應用。

審核編輯：湯梓紅