突破传统设计困局,让 “小尺寸” 与 “高性能” 也可兼得

时间:2019-11-04 16:31来源:21Dianyuan

摘要:MPS高度集成的电源模块设计方案,解决电源设计人员的三大焦虑

突破传统设计困局,让 “小尺寸” 与 “高性能” 也可兼得
MPS高度集成的电源模块设计方案,解决电源设计人员的三大焦虑
 
需要富有经验的人来完成设计工作;如何为设计寻找最佳器件;怎样满足产品上市时间的压力……完美回答并解决这些问题,是每家公司需要经常面对的事情 —— 设计的复杂性、市场对产品性能愈加严苛的要求每天都在考验着设计工程师们敏感的神经。
 
随着工业4.0和5G的不断演进,电子设备系统设计变得越来越复杂并且电路板空间变得越来越受限,许多电子设计人员开始寻求新的突破方式。电源模块区别于传统的分立式电源,以其高度集成设计,和在减小电路板尺寸,提高可靠性并加快产品上市时间等方面的突出表现,纳入设计人员的考量重点。
 
5G时代,MPS 为电源设计提供更好的选择
创新是一个企业的灵魂,对于MPS也是如此。在面对5G以及工业4.0对整个行业提出的新的发展需求,MPS也在深挖已有技术工艺的更多可能,和探究潜在的发展机遇。10月24日,时隔一年之后,MPS再次在杭州举办媒体交流会。这次交流会上,MPS电源模块产品线经理孙毅先生从一款电源产品的开发周期入手,娓娓道来,为大家分享了MPS在这一年里做出的努力。
 
 
MPS电源模块产品线经理孙毅先生介绍新款产品
 
一个更简单的选择
MPS 电源模块如何应对复杂的新挑战?首先要从一款电源产品的开发周期开始说起。
 
开发验证分立电源方案往往需要18周以上的周期,仅在第一步,也就是元器件的选择和采购上就需要消耗多达12周的时间;而复杂的原理图设计,以及PCB布线和多次制板验证,也分别需要1-3周的时间。一旦设计走入误区,这个时间预期还可能进一步扩大 —— 这些时间,在面对激烈的市场竞争时,都是企业不得不慎重考虑并承担的风险。
 
 
开发验证分立电源方案往往需要18周以上的时间,而MPS电源模块以前高度集成的优势,大大节省了在选型和设计中消耗的时间
 
MPS却将这长达近半年甚至更大的风险因子大大减少。 在媒体会上,孙毅经理以一个100A的分立电源的设计作为实际例子,为我们对比了使用或不使用电源模块,在设计中有何区别。
 
 
 
100A电源模块仅需要一个模块,加上输入电容、输出电容、分压电路就可以快速完成一个完整的电源解决方案设计工作
 
传统的设计过程中,当工程师在设计一款100A的分立电源时,需要考虑诸多的因素。比如:如何设计和选择电源中的芯片、电感、以及任何进行复杂的电路设计?如何进一步缩小电源方案在主板占据的面积,让产品拥有更多的可能?面对70℃以上的环境温度,电源功耗及散热变得更加重要,工程师在设计中要如何取舍?甚至各种愈加严格而复杂的EMI测试标准也在对工程师的设计“功力”提出更多要求……
 
开发周期、方案尺寸、散热、EMI 噪声、FPGA等复杂电源时序管理或是高速ADC/DAC低噪声供电……面对繁复的设计要求,MPS提供了一个更加简单直接的选择。对于100A电源模块来讲,仅仅需要一个模块,加上输入电容、输出电容、分压电路就可以快速完成一个完整的电源解决方案设计工作。它包含了4颗芯片,4颗电感以及很多输入/输出电容等,在缩短设计周期的同时,还能进一步为产品的易用性和可靠性保驾护航。
 
MPS 的应对之道
MPS是如何实现在节省设计周期、减小布板面积的同时,兼顾产品的各项性能的?孙毅经理在媒体会上,用“四个替代”来解释了MPS的应对之道。
 
• 单晶圆替代传统的电源设计方案
基于常见的Buck 降压型控制器,传统设计方案中会包含上管、下管、控制器、电感等,加上封装和打线方式,都增加了3个芯片的占板面积;而单晶圆替代了原来的3个或更多芯片,无形中减小了芯片尺寸。


 
单晶圆的功率+控制级减小了芯片的面积
 
• 倒装工艺替代传统打线工艺
传统的封装打线方式,晶圆在中间,各个引脚分布四周,整体占据很大面积;MPS 的芯片倒装的工艺,芯片翻转,而金属引脚直接对应引线框架,即晶圆的面积就是整个芯片需要的面积,不需要额外的打线。


 
芯片倒装工艺减小了封装带来的多余占板面积
 
• 高频设计替代传统设计
基于MPS已经掌握的单晶圆控制和倒装工艺,在减小尺寸同时,也兼顾到寄生电感问题,为因此MPS电源产品在提高开关频率方面也取得不俗的表现。以工业应用中非常典型的24V->5V/3A, 3.3V/3A设计为例,在传统设计中的频率通常为300kHz,而基于MPS电源模块的设计,可以实现800kHz–2MHz,且减少25%-30%左右电源体积,以及50%甚至更多的方案面积。


 
提高开关频率减小电感体积
 
• 3D封装替代传统封装
在某些特殊的应用场景,MPS 采用3D封装,让电感直接架高在芯片上进行整体的封装,不再占据额外面积,以减少传统封装中平铺开的面积。


 
3D 封装将电感直接架高在IC上,减少模块50%的面积
 
推陈出新,MPS 再推三款新品
为了应对新趋势、新发展、新应用的挑战,在媒体会上,MPS也基于5G和工业4.0发展的具体需求,分别针对中小电流应用、大电流应用、高压应用推出全新的电源模块产品。


 
 
尺寸缩小70%,MPM54304 挑战高效紧凑的电源传输系统
MPM54304 是MPS最新发布的业界首款超小尺寸四路输出集成电源解决方案。作为一款中电压PMIC降压模块,它分别由2个3A和2个2A电源轨组成,每个电源轨还可以组合为1个6A和1个4A的电源轨,并可使用 I2C 总线通过 MTP(可多次编程的)来配置参数。
 
MPM54304 以小尺寸、易使用见长,其优势主要体现在:
• 采用超小型7mmx7mmx2mm 封装,是市面上最小的四路模块,整体尺寸仅为120mm2,在中多轨系统应用中,可将整体解决方案的尺寸缩小70%以上。
• 引线分布简单,并大大简化布局,最大限度地减少了外部所需元器件。
• 提供时序及电源管理功能。
 
 
MPM54304效率图
 
为FPGA/ASIC、加速卡、交换机提供最大800A持续输出电流
MPM3695-100是MPS在本次媒体会上推出的另一款全集成电源模块。MPM3695-100输出电流高达100A,提供PMBus接口,并可以灵活扩展。
 
通常来讲,一个非常复杂的电路需要集合控制器、MOS管、电感等元器件,在设计调试过程中,工程师往往需要消耗更多的时间和精力。而对MPM3695-100来讲,设计人员仅仅需要一颗芯片(模块),加上输入电容、输出电容、分压电路就可以在短时间完成设计需要。
 
MPM3695-100 提供了整套电源解决方案,包含了4颗芯片,4颗电感以及很多输入/输出电容等。MPM3695-100 在宽输入电压范围内可实现最大100A 的持续输出电流,还可以并联工作以提供最大 800A 的持续输出电流,占板面积相比于分立式解决方案减少 70% ;由于并联时每个模块内部 4相交错并联运行,因而表现出极佳的动态响应。
 
 
MPM3695-100效率图
峰值效率12V转1V可以到达91%左右,转3.3V时可以到94-95%
 
 
MPM3695-100负载瞬态性能图
针对0A-25A,只需要6x47µF 和1x220µF SP-CAP,<+/-3%的跳变
 
高压应用提供更多选择
MPM3596是一款45V 双路 3A,单路 6A的低噪声数字电源模块,在输入电压、输出电压、尺寸及功率密度等方面极具优势。
• 输入电压范围可达到45V,并轻松应用于工业总线,如24V总线等场景;
• 输出电压范围从0.4V可编程到24V 。作为一个双路输出模块,MPM3596也可以并联输出,是市面上为数不多的可以并联的高压电源模块;
• 带有遥测回读功能,可以读模块的电压、电流、温度以及故障等;
• 特有的双侧对称输入电容和频率抖动/频谱扩展功能以及可调节的开关速度可以优化EMI性能,满足EN55022 Class标准;
• 尺寸小、功率密度高,方案尺寸可以减小50%以上的面积,且管脚设计简单、易于使用
 
快速变革时代,电源技术应走向何方
千里之行,始于足下。依靠着坚实的技术基础和持续不断地创新服务,MPS不断在挑战新的领域。历经十余年的潜心耕耘,在计算类服务器/云计算/汽车/工业等多个领域取得不俗的表现。
 
“从产品类别和种类来讲,MPS 电源模块独具特色并已经拥有100余种产品。”孙毅经理介绍说:“从销售量上来讲,电源模块的发展是非常快的。MPS电源模块每年的增长在60%以上,已经远高于公司平均增长速度。”
 
 
 
在谈及MPS对电源模块未来发展的设想时,孙毅经理表示:当前,MPS 在封装技术上有了迭代性的突破,这体现在,较以往平铺的封装方式而言,新产品已经开始采用3D封装;之前使用的是引线框架单层PCB设计,而现在是4-6层的多层设计。在以后的发展中,MPS也将一如既往的提升产品的创新力,从提升芯片制程、提出迭代性技术、和提高模块在磁设计方面的性能等角度,锐意进取,不断突破。

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