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从2020年开始，市场对DC-DC电源模块（包括板块电源和POL电源等）的需求量增长非常迅速。有机构预测，其市场容量将从2020年2亿美元的小众市场，逐步成长至2024年10亿美元的较大市场。如果包含广义上集成电感的Power Block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。
图 | 模块市场趋势预测
比如，今明两年，5G市场出货量增长就相当可观，主要集中在是5G基站、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等。而明后两年，随着AI、大数据、HPC等应用的迅猛发展，大电流和高功率密度模块、高能量密度的Power Block模块也将会迎来爆发式的需求增长。
图 | 功率密度/体积成为电源模块设计厂商的重要挑战之一
市场机遇往往伴随着各种各样的挑战，就电源模块而言，功率密度和模块体积的要求越来越严格，以OAM数据处理单元为例，单板上处理器的需求功耗达到了600W，已经远超之前的单颗电源模块的输出功率，未来可能还会朝着1kW，甚至2kW迈进，与此同时，处理器电流将从几百安培增加到1,000安培，甚至2,000安培及以上。而随着负载功率增加，客户电源模块的效率越来越高，整个单元的占板面积越来越小，当前90%以上的效率已经是这类需求的家常便饭。这些矛盾点对电源模块厂家来说是一个巨大的挑战。
图 | 散热成为电源模块设计厂商的重要挑战之一
除了功率和体积外，散热同样成为重要的挑战之一。以通信基站为例，我们知道，基站分布的地域非常广，在一些比较严苛的环境下会面临极度高温，而环境温度过高，本身就是系统散热的最大敌人；再加上随着5G杆塔的推广，特别是AAU单元的集成度越来越高，传统的风扇散热被淘汰，在杆塔上，铜铝散热器的散热方案成为主流，这种没有空气流动、全靠散热器与环境空气进行热交换的散热方式，成为每个厂家系统工程师的噩梦；此外，随着数据通信流量的暴增，也会让5G杆塔的功率负载快速增长，这也意味着发热源会更大。这些都会倒推成为每个电源厂家的难题。
图 | 智能化成为电源模块设计厂商的重要挑战之一
以上是大功率的场景，对于通用FPGA或者专用ASCI芯片的供电需求又呈现出另一番现象。比如在AI加速卡、超级计算机的计算单元、5G设备中专用的ASCI数据处理接口芯片以及一些工业测试机或者工业自动化设备的供电中，它们的特点是电源负载数量越来越多，不同的电压轨越来越多，电源通道数量增加，开关机时序日渐严格，通道之间的电磁兼容问题越来越突出。同时，在一些ASIC芯片、FPGA通讯应用中，严格需要根据负载的实际工作情况来调节电源，这就要求电源模块做到负载端的在线智能分配、数字接口和智能监控、防呆设计和智能检测，以及智能保护和一些特殊私有化协议的响应等。因此，给这类型多通道负载设计出可靠、智能供电的方案，也是被摆在电源工程师面前的挑战之一。
综上，根据应用的不同，供电电源的负载需求千差万别，面对不同的负载，供电电压要求差别也很大，而供应链工程师做电源物料管理时却幻想“一颗芯片包打天下”。面对该矛盾，电源设计工程师试图通过冗余设计和足够的可扩展功能，来满足更多条件下的需求，并确保设计方案具有一定的继承性。
因此，MPS电源模块产品线经理涂瑞认为，多路化的电源是未来发展的重要方向之一。
“因为多路输出的模块，加上3D封装，能够显著地提高电源的功率密度，同时更方便散热方案的整体设计，从整体上提升电源的散热性能。其次，多路输出的模块使用了同一个控制大脑，比较容易识别每一路输出的状态，更有利于实现通道之间的智能化配置。最后，多路输出的模块拥有更好的EMI性能。” 涂瑞解释道。
在这样的大背景下，我们看到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 | 电源模块3D封装三热仿真
图 | 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 | 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 | 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 | 数字化上位机辅助调节界面
图 | 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。
