“碳中和”政策的推行呼吁系统的供电效率大幅提升，而对很多现有的系统供电系统来说，要保障供电的功率等级，同时还要满足足够高的能源转换效率，就需要对电源系统进行更有针对性的配置。高集成度和小尺寸无疑是其中最受欢迎的两个技术要求，而从传统的单独电源到模块级电源是更为直接实现这两大要求的手段。

近几年来，板级电源模块产品呈现爆炸式发展态势，其集成度高、体积紧凑的优点，吸引了越来越多的终端客户选择。而越来越多的应用类型、越来越复杂的使用场景，也对电源模块产品提出了更高的挑战。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，通过这样的方法呢，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。

电源产品线经理涂瑞这样做了对比，采用传统的分立方案电源设计，从芯片选型、到被动元器件计算和选择，这些过程就需要少则2周多则可达3个月的时间；这还仅仅是其中的一部分工作，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设计时间。电源模块产品呢，它的特性就是高度集成的，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，使用电源模块会比分立方案减少多达70%的设计时间。

随着电源系统的越来越复杂，在多年服务客户的过程中，发现了目前电源应用中的一些痛点：

•    更紧凑的装配空间，更苛刻的散热条件，导致产品在追求更小体积和更好散热之间难以取舍；
•    越来越复杂的系统让供电轨数急剧增加，如何更好的布板、梳理复杂的电源层、优化电源时序控制、优化EMI问题，也让硬件工程师头痛不已；
•    电源模块通用性需求，为减轻供应链管理难度，物料归一化呼声日渐增多；
•    电源模块智能化、趋势明显，诸如智能均流、智能并联、在线监控等功能，逐渐成为复杂系统供电设计的刚需。

图1 电源模块的痛点聚焦

面对这些硬件设计中的痛点，多路数字电源模块的优势越来越明显。除了满足客户常规的“小体积”需求外，其“高效散热、可扩展性、可兼容性、智能化”等特点更能给实际硬件设计带来前所未有的便捷。MPS如何将模块做到既小又好，让我们来一睹它们的技术细节。

•    高功率密度和3D封装的多路模块
    3D封装大幅减小占板面积，有效提高布局密度；
    更灵巧的模块外形设计，模块能贴近负载端放置，减小布局带来的线路损耗；
    灵活方便的多路并联模式，单一输入源可降低布板复杂程度，进一步减少线路损耗；
    并联功能增加模块的输出能力，更让电路工作在多相交错状态，减小模块开关损耗

图2 典型3D封装示意图

MPS推出的MPM54322和MPM54522是两款比较优秀的高功率密度的3D封装电源模块。其中MPM54322支持双路 3A，并联可实现 6A 输出； MPM54522则可支持双路 6A，并联可实现 12A 输。5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的极小尺寸，让这两款模块在AI加速卡供电以及光模块等PCB布局空间极为狭小的应用场景中大显身手。

•    优化散热设计的模块

图3 电源模块3D封装三热仿真

图4 电源模块加强散热型设计仿真

    特殊的3D封装，将本体温度较低、导热性能较好的金属粉末电感层叠安装在晶圆上方。电感磁芯导热系数高，能有效帮助晶圆散热，从而消除整个模块中的散热瓶颈，使模块整体发热均匀、减轻系统级散热压力。在此基础上，单颗多路输出的PMIC晶圆配合多颗电感的3D封装方式，更能把散热优势推向极致。
    针对大电流产品，在模块内部晶圆上增加高导热系数的散热零件，也是有效消除晶圆散热瓶颈的方式。
MPS推出的业界体积超小的20A电源模块MPM54524是优化散热设计的一个典型例子。它采用了ECLGA封装，体积压缩到8mmx8mmx2.9mm，与此同时散热性能优于同性能的分立器件解决方案。此外在12V转3.3V应用下，满载效率大于90%，峰值效率可达92.3%。另外，该模块可支持四路单相5A输出，或双相并联输出两路10A，还可支持三相并联15A和四相并联20A，极大减小了中、大电流应用场景下的开关损耗。

•    多路输出及负载智能分配的电源模块    
在一些板卡或者其他系统组件热插拔操作中，常常会遇到一种头疼的场景：由于来自不同供应商的热插拔组件中供电负载不确定性太大，前级供电系统不得不添加较多的被动器件，用来支持不同的负载需求。我们来看交换机中光模块端口供电的传统设计方案：

 
图5 传统光模块端口供电方案
各型光模块协议定义中，将进入光模块金手指的3.3V供电电源分成了3路，分别给光模块的接收端、发射端，以及内部逻辑控制电路供电。这样定义的初衷，是由于光模块接收端、发射端对电源噪声较为敏感，独立供电能尽可能将电源噪声隔离，提高光模块传输性能。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，于是在很多光模块设计中会在内部将3路走线连接在一起。这样，光模块端口在插入不同厂家生产的光模块时，会有两种可能性：3路3.3V独立供电，或者3路3.3V被短接在一起集中供电。传统的供电设计，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。这样的冗余设计导致了供电端口体积剧增，硬件成本也会随之飙升。
MPS推出具备智能负载分配功能的电源模块MPM54313则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3A，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，支持9A输出。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，减少供电端口外围监控电路设计。在使用智能电源模块方案后，供电端口体积和成本大大降低：
 

图6 智能光模块端口供电方案
 
•    EMI优化及数字监控功能
在MPS多路输出电源模块家族中，除前文提及的各种独门秘技外，数字监控、上位机辅助调试、EMI优化等家族式特点更推动电源模块产品成为硬件工程师们的首选。

                

        图7 上位机辅助调节界面                

   图8 某型多路输出电源模块EMI辐射测试曲线

数字监控功能得益于MPS晶圆设计的传统积累，能提供模块运行状态监控、开发调试、数字配置保存及导入等一系列功能。而EMI设计方面，通过器件3D布局，减少SW Copper的天线效应；多路集成化设计则可以实现内部电磁干扰的实时补偿；基板设计上，在功率平衡流动和过孔通流方面做文章，优化磁场分布来约束电磁辐射；抖频功能更帮助EMI频段薄弱点实现能量分散，减小了辐射峰值。

在电源模块应用领域，MPS优势独特，可以帮助客户成功、快速地开发安全、智能、可靠的解决方案。作为一家全球领先的半导体供应商，MPS凭借敏锐的洞察力和优秀的模块设计，可以满足复杂多变的供电需求，助力客户创造更大产品价值。