“2022年和2023年，5G市场电源出货量增长比较大，特别是5G基站、以及5G中回传相关的路由设备、交换设备、光模块级相关板卡设备，这种是模块电源较大的出货对象；而到了2023年和2024年，随着AI大数据领域、以及超级计算机或者超级计算单元等应用的迅猛发展，大电流和高功率密度模块、以及高能量密度的PowerBlock模块也将会迎来爆发式的需求增长。”MPS电源模块产品线经理涂瑞对电子发烧友记者表示。
为何在5G、AI和HPC三大领域，模块电源呈现出旺盛的发展势头？与分立器件相比，模块电源有哪些优势和市场挑战？MPS的新品如何解决这些挑战？MPS电源模块产品线经理涂瑞给出了明确的答复。
图：MPS电源模块产品线经理涂瑞
模块电源的市场展望和优势
为什么使用模块电源？涂瑞指出，MPS开发电源模块的初衷，是为了尽可能给客户提供更简单、更易用的产品，提供可靠性更高的产品，通过模块电源来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在支持客户做电源产品开发时发现，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，整个过程就需要至少2周，甚至长的需要到3个月；接下来较为复杂的原理图和Layout设计、回板调试验证，这种工作都需要大量的时间。而电源模块产品的优势是，高度集成，可以给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；从过去的经验看，我们使用电源模块会比分立方案减少多达70%的设计时间。
从上面图表中，我们看到左图100A分立方案有它的控制器、DrMOS和其他的很复杂的外围器件来构成这样一个分立方案。每个部件之间都需要比较复杂的连线，原理图看起来复杂难懂，工程师做起来就会感觉更加头疼。MPS将100A的方案做成一个电源模块集成到里面去，右图可见。对于客户阅读和硬件设计来说，就非常友好。他只需要一些简单的输入电容和必要的输出电容。
此外，电源模块还有两大优势：体积小和散热优势，这些也是客户选择的原因。我们可以看到，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。散热问题，MPS通过这种3D堆叠技术，可以通过对电感进行一个特殊处理。有效地消除解决方案中芯片的发热瓶颈，提高整个方案的散热能力。
从2020年开始，除了AC到DC的这种一次电源模块，就是这种转48伏那种常规的，仅仅是二次电源模块（也就是传统DC-DC电源模块产品）需求，包括板块电源，包括最后的POL电源等等，需求量增长非常迅速。从2020年的2亿美元的小众市场，逐步成长至2024年，预估会成为接近10亿美元的较大市场。如果包含广义上集成电感的PowerBlock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5G宏基站上，MPS可以提供整套POL电源，覆盖AAU和BBU（或者是CU+DU），MPS的电源正在帮助客户降低整板功耗，节省空间。除了DCDC，MPS近年来推出多款电源模块，将晶圆，电感，电容和其他外围器件以芯片级的封装技术封装在一个很小的体积里，可以降低客户大电流电源设计的难度，加快设计周期。2023年和2024年，随着AI大数据领域、以及超级计算机或者超级计算单元等应用的迅猛发展，大电流和高功率密度模块、以及高能量密度的PowerBlock模块也将会迎来爆发式的需求增长。
电源模块设计六大挑战和MPS新品方案
电源模块设计面临哪些挑战？1、首先面临的挑战，就是功率密度和模块体积的要求越来越严格。大家可以看到这是一个OAM数据处理单元，某型OAM单元，单板上处理器的需求功耗是600W，已经远超之前的单颗电源模块的输出功率了。而随着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；2、更高的处理电流，从几百安培增加到1千安培，甚至我们看到有一些比较领先的一些设计，已经朝着2kw在迈进；3、随着负载功率增加，客户对于效率要求越来越高，90%以上的效率已经成为一些标准；4、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。
还有两大挑战，散热要求严苛，而且在越来越多的应用领域，涉及到通用FPGA或者专用ASCI芯片的供电需求也越来越多。比如有各种AI加速卡之类的供电、有超级计算机的计算单元的供电，有5G设备中专用的ASCI数据处理接口芯片的供电，还有一些工业测试机或者工业自动化设备中供电。智能化需求也在增加，例如一些负载会突变，在线会发生负载极大变化的这种应用，那我们怎么样能够智能的分配负载，动态的分配负载，让客户来更好的设计方案。
MPS采取了创新电源芯片设计思路。涂瑞指出，多路化的电源是未来发展的一个很重要的方向。因为多路输出的模块，加上3D封装，带来四大优势。1、多路输出的3D封装模块提高电源功率密度；2、多路输出的模块更方便提升电源的散热性能；3、多路输出模块利于实现通道间智能化配置；4、多路输出模块有更好的EMI性能。
MPS最新推出的双路输出系列的电源模块。一个超高功率密度的MPM54522和54322家族。这两颗产品，它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。它的输出电流呢，稍微大一点的MPM54522可以支持双路分别输出6A，并联可实现12A的输出。然后小一点MPM54322，它可以支持双路3A输出，并联可以实现6A输出。然后这一颗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。
针对客户的一些要求，这两颗芯片还可以提供可选的LDO的功能。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，来提高这个纹波频率，来减小纹波幅值目的。
在加强型就是内部增加散热器的这种思路下，MPS推出了一个集成散热器的MPM82504E，它的主要的一个优点是可以支持四路25A输出，同时它也能够集成I2C的这个数字接口。同时这个模块它也支持多相并联。它输出的一个配置模式是非常灵活的，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6路并联、7路并联或者8路并联等等。我们最大可以通过8颗82504并联扩展至这个800A的一个负载能力。
AI应用和5G边缘服务器对电源要求有什么不同？涂瑞对电子发烧友记者表示，最大的不同是，服务器供电以及AI计算单元的供电，电流非常大，功耗功率会更大，那针对于这一点它的要求就会显而易见，要求效率更好、功耗更低。二、对于PCIe这些AI的供电，它还对数字部分的功能有一个比较要严格的要求。电源开发方面就需要对一些接口协议进行更多的关注，半导体公司需要不断地随着这个协议去更新数字接口，还有相应的升级一些数字功能。但是现在普遍厂商的开发周期比较短，针对于这一类应用，电源芯片的开发周期要求越来越短，所以对于这一款应用，需要半导体厂家有一定的前瞻性，还更需要积极主动地去参与到这些协议的制定和讨论里边去，才能满足客户的实际的产品交付周期。针对这个领域的需求，专门针对PCIe卡和AI加速卡应用，MPS推出了MPM3695-100、MPM82504，还有我们的MPM54524这一系列模块，都是针对于这些应用领域，出货量前景看好。
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