复杂电源系统中的明星: 数字化多路电源模块将即将崭露头角
时间:2022-12-07 10:53来源:
摘要: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。
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。如何达到性能最优?如何提升用户设计体验?如何增强可靠性?各种尖锐的问题,促使IC电源厂商不断追求着控制策略优化、工艺优化、设计结构优化。MPS在电源模块产品设计方面有着自己独到的理解和技术沉淀,并藉此推动电源模块产品的交付量迅猛增长。
什么是板级电源模块?答案似乎很简单:把诸如阻、容、感等被动器件,与电源IC封装在一起形成一个整体,这就是一个典型的板级电源模块。但是,这样简单将单颗IC结合被动器件组装出一个电源模块,能否完全激发出性能潜力?这个问题值得电源厂商思考。让我们先来聚焦电源模块应用,甚至推广到板级电源应用中存在的一些痛点:
· AI、数据计算等应用领域,对更大电流能力、更高功率密度解决方案的需求;
· 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、数字化趋势明显,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
· 高功率密度和3D封装的多路模块
Ø 3D封装大幅减小占板面积,有效提高布局密度;
Ø 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;
Ø 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;
Ø 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
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
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。
图 5 传统光模块端口供电方案
图 6 智能光模块端口供电方案
图 7 数字化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
关于MPS
什么是板级电源模块?答案似乎很简单:把诸如阻、容、感等被动器件,与电源IC封装在一起形成一个整体,这就是一个典型的板级电源模块。但是,这样简单将单颗IC结合被动器件组装出一个电源模块,能否完全激发出性能潜力?这个问题值得电源厂商思考。让我们先来聚焦电源模块应用,甚至推广到板级电源应用中存在的一些痛点:
· AI、数据计算等应用领域,对更大电流能力、更高功率密度解决方案的需求;
· 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、数字化趋势明显,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
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
Ø 3D封装大幅减小占板面积,有效提高布局密度;
Ø 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;
Ø 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;
Ø 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。
优化散热设计的多路电源模块模块
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
多路电源模块 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 数字化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。
关于MPS
Monolithic Power Systems, Inc. (MPS) 是一家全球领先的半导体公司,专注于基于芯片的高性能电源解决方案。MPS 的使命是减少能源和材料消耗,从各个方面改善生活质量。公司于 1997年由 CEO Michael Hsing 成立,拥有三大核心优势:深厚的系统级知识、强大的半导体设计专业知识、专有的半导体工艺和系统集成技术及创新能力。这些综合优势使 MPS 能够为客户提供具有可靠、紧凑和单片的解决方案,使其产品更节能、更经济,同时也为我们的股东带来持续的投资回报。更多 MPS 信息,请访问 www.monolithicpower.cn 或各地办事处。
免责声明:本文若是转载新闻稿,转载此文目的是在于传递更多的信息,版权归原作者所有。文章所用文字、图片、视频等素材如涉及作品版权问题,请联系本网编辑予以删除。
我要投稿
近期活动
- 安森美汽车&能源基础设施白皮书下载活动时间:2024年04月01日 - 2024年10月31日[立即参与]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年09月01日 - 2023年09月30日[查看回顾]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年08月01日 - 2023年08月31日[查看回顾]
- 【在线答题活动】PI 智能家居热门产品,带您领略科技智慧家庭时间:2023年06月15日 - 2023年07月15日[查看回顾]
- 2023年安森美(onsemi)在线答题活动时间:2023年06月01日 - 2023年06月30日[查看回顾]
分类排行榜
- 汽车电子电源行业可靠性要求,你了解多少?
- 内置可编程模拟功能的新型 Renesas Synergy™ 低功耗 S1JA 微控制器
- Vishay 推出高集成度且符合 IrDA® 标准的红外收发器模块
- ROHM 发布全新车载升降压电源芯片组
- 艾迈斯半导体推出行业超薄的接近/颜色传感器模块,助力实现无边框智能手机设计
- 艾迈斯半导体与 Qualcomm Technologies 集中工程优势开发适用于手机 3D 应用的主动式立体视觉解决方案
- 维谛技术(Vertiv)同时亮相南北两大高端峰会,精彩亮点不容错过
- 缤特力推出全新商务系列耳机 助力解决开放式办公的噪音难题
- CISSOID 和泰科天润(GPT)达成战略合作协议,携手推动碳化硅功率器件的广泛应用
- 瑞萨电子推出 R-Car E3 SoC,为汽车大显示屏仪表盘带来高端3D 图形处理性能
编辑推荐
小型化和稳定性如何兼得?ROHM 推出超小型高输出线性 LED 驱动器 IC,为插座型 LED 驱动 IC 装上一颗强有力的 “心脏”
众所周知,LED的驱动IC担负着在输入电压不稳定的情况下,为LED提供恒定的电流,并控制恒定(可调)亮度的作用。无论是室内照明,还是车载应用,都肩负着极为重要的使命。
- 关于反激电源效率的一个疑问
时间:2022-07-12 浏览量:10208
- 面对热拔插阐述的瞬间大电流怎么解决
时间:2022-07-11 浏览量:8960
- PFC电路对N线进行电压采样的目的是什么
时间:2022-07-08 浏览量:9605
- RCD中的C对反激稳定性有何影响
时间:2022-07-07 浏览量:7217
- 36W单反激 传导7~10M 热机5分钟后超标 不知道哪里出了问题
时间:2022-07-07 浏览量:5988
- PFC电感计算
时间:2022-07-06 浏览量:4197
- 多相同步BUCK
时间:2010-10-03 浏览量:37874
- 大家来讨论 系列之二:开机浪涌电流究竟多大?
时间:2016-01-12 浏览量:43170
- 目前世界超NB的65W适配器
时间:2016-09-28 浏览量:60032
- 精讲双管正激电源
时间:2016-11-25 浏览量:128150
- 利用ANSYS Maxwell深入探究软磁体之----电感变压器
时间:2016-09-20 浏览量:107567
- 【文原创】认真的写了一篇基于SG3525的推挽,附有详细..
时间:2015-08-27 浏览量:100315