隨著5G和AI的發展，電源模塊市場增長強勁。預測數據顯示，到2024年僅二次電源模塊的市場規模有望從2020年的2億美元增長到近10億美元。其中需求增長主要會來自5G通信基礎設施、AI數據中心、超算等應用領域。

電源模塊的優勢

電源模塊相比分立器件有幾大優勢：一是開發周期縮短。傳統的分立方案電源設計中，從芯片選型到被動元器件計算和選擇等過程就需要至少2周，復雜設計甚至需要到3個月的時間；接下來是較為復雜的原理圖和Layout設計、 回板調試驗證等，這些工作都需要大量的時間。電源模塊產品的特性就是高度集成的，可以給客戶省去大量前期選型、驗證的時間，并能幫助客戶減少原理圖和Layout的耗時；據MPS的經驗，使用電源模塊會比分立方案減少多達70%的設計時間。

電源模塊縮短開發周期（圖源：MPS公司）

二是體積和散熱優勢，電源模塊可通過3D堆疊的方法，將電感與IC封裝在同一塊XY區域內，以節省1/3-1/2的PCB板占板空間。

電源模塊的體積和散熱優勢（圖源：MPS公司）

決定木桶水量的是桶上最短的木板，而決定電源系統散熱能力的，則是發熱量最大的部件。通過3D堆疊技術，可對電感進行特殊處理，有效消除芯片的發熱瓶頸，提高整個方案的散熱能力。

管腳設計上，電源模塊的功率路徑設計也更為優化，使得功率回路最短、也能夠進一步提高諸如EMI之類的客戶更關心的性能。

市場增長帶來的五大挑戰

市場需求增長的同時給電源模塊帶來了新的挑戰。MPS電源模塊產品線經理Roy Tu總結為五個方面：

其一，功率密度和模塊體積要求越來越嚴格。隨著OAM標準的演進，整個單元中電源方案需要和計算系統方案會深度集成，進一步帶來了更嚴苛的挑戰：處理單元的功率需求更高，從600W到1kW，甚至朝著2kW邁進；處理器電流則從幾百安培增加到1000安培，甚至是2000安培及以上；隨著負載功率增加，90%以上效率已是這類需求的家常便飯；而功率需求增加，整個單元的占板面積客戶要求反而要越來越小。

其二，散熱的難題。以典型的基站發射桿塔為例，幾乎湊齊了所有嚴苛的散熱條件：基站地域分布廣，環境溫度過高；5G桿塔AAU單元集成度高，但銅鋁散熱器沒有空氣流動、全部依靠散熱器與環境空氣熱交換；數據通信流量暴增，5G桿塔功率負載增大，發熱源更大。

其三，更多的輸出電壓軌。由于電源負載數量越來越多，不同的電壓軌也越來越多；電源通道數量增加，開關機時序也日漸嚴格；供電通道多，通道間的電磁兼容問題也會突出。

其四，通用性挑戰。不同負載對供電電壓要求差別很大，客戶需要一種能夠兼顧不同電壓需求的產品；不同應用的供電電源負載需求千差萬別，需要能用盡可能少的物料來覆蓋盡可能廣的負載電流范圍；很多硬件設計中，負載對供電電壓要求較寬，負載電流實際大小也與工作環境強相關，需要靈活地應對設計中的冗余需求，盡可能讓芯片運行在性價比最好的工作段；終端產品硬件不斷迭代下，電源工程師需要擁有足夠的可擴展能力的方案。

其五，智能化的挑戰。一些復雜的充電系統會有各種Type-C、MCU通訊、輔助電源等需求，需要用更少的芯片完成更多的智能功能。例如，負載會突變的應用，如何智能動態分配負載；在需要智能充電的應用場景，如何識別BMS提供過來的信息；又如一些ASIC、FPGA通訊類的應用需要嚴格根據負載進行電源調節，如何智能跟蹤負載需求，就需要在負載端實現在線智能分配、數字接口、智能監控、防呆設計、智能檢測等。

MPS多路電源模塊

針對實際應用中的各種挑戰，作為在電源模塊領域領先的半導體公司，MPS認為，多路電源模塊可以有效應對，并會成為未來發展的重要方向。

Roy Tu表示，多路電源模塊有四點優勢：第一，多路輸出的模塊加上3D封裝，能夠顯著地提高電源的功率密度；第二，多路輸出模塊更方便從整體來設計電源的散熱方案；第三，由于集成在一起，使用了同一個控制的大腦，就比較容易識別每一路輸出的這一個狀態，可以實現智能化配置；第四，多路輸出模塊有更好的EMI性能。

MPM54322和MPM54522（圖源：MPS公司）

MPS推出的MPM54322和MPM54522是兩款比較優秀的高功率密度的3D封裝電源模塊，輸入電壓范圍從 2.85V 到 16V，輸出電壓范圍從 0.4V 到 3.8V。其中MPM54322支持雙路 3A，并聯可實現 6A 輸出； MPM54522則可支持雙路 6A，并聯可實現 12A 輸。兩款芯片都支持雙路遠端采樣，實現高精度電業控制；支持雙相自動交錯并聯，減少紋波幅值；具備COT控制，可實現快速負載響應；并且靈活配置了數字接口和模式選擇功能。同時，5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的極小尺寸，適合PCB布局空間極為狹小的應用場景，如AI加速卡供電以及光模塊等。

MPM54524（圖源：MPS公司）

MPM54524是業界超小的20A 電源模塊，尺寸僅有8mmx8mmx2.9mm，與此同時散熱性能優于同性能的分立器件解決方案。模塊采用了創新的ECLGA封裝，在12V轉3.3V應用下，滿載效率大于90%，峰值效率可達92.3%。另外，該模塊可支持四路單相5A輸出，或雙相并聯輸出兩路10A，還可支持三相并聯15A和四相并聯20A，極大減小了中、大電流應用場景下的開關損耗。

MPM82504E（圖源：MPS公司）

MPM82504E集成了散熱器，通過內部增加散熱器，可支持四路25A輸出；可集成I2C數字接口，支持多相并聯，一些需要更大電流的應用場景，可將MPM82504E并聯在一起，做到6路并聯、7路并聯或8路并聯等，最大可通過8顆MPM82504E并聯擴展至800A的負載能力；同時COT提供快速的動態響應，4相交錯的內部配置也提供了更小的波紋輸出，與競品相比，同樣的輸出紋波和跳變性能下，可以節省約一半的輸出電容。

在一些板卡或者其他系統組件熱插拔操作中，由于來自不同供應商的熱插拔組件中供電負載不確定性太大，前級供電系統不得不添加較多的被動器件，用來支持不同的負載需求。MPM54313具備智能負載分配功能的電源模塊，能干凈清爽地解決此類問題。

MPM54313（圖源：MPS公司）

MPM54313三路輸出降壓電源模塊，每路輸出電流為3A，且各路獨立供電。熱狀態下輸出通道間短接時，模塊內部的負載智能分配電路可迅速實現在線負載均流。此外，該電源模塊的數字接口能實時反饋供電電壓、電流、溫度、告警等監控信息，也能夠通過數字的方法來對模塊的某一路進行開通和關斷的操作，減少供電端口外圍監控電路設計。實際使用中，MPM54313可節省65%的板上空間，節省60%的BOM成本，提高1%~2%的轉換效率。

傳統多路供電應用中，芯片數量繁多，不同客戶PCB布板水平參差不齊，導致不同設計下EMI的性能差異巨大。MPM3596針對這些痛點優化，實現優異的EMI性能。

MPM3596（圖源：MPS公司）

MPM3596通過器件3D布局，減少SW Copper的天線效應；MPS多路集成化設計，可在電源內部實現電磁干擾的實時補償；基板設計上，通過優化磁場分布約束電磁輻射；抖頻功能夠幫助EMI頻段薄弱點實現能量分散，減小了輻射峰值。

此外，在客戶ADC不夠用但又不愿意額外增加一塊ADC芯片時，MPM3596還能夠臨時將一顆IO口配置為ADC輸入，對一些信號做ADC解析。

MPS電源模塊發展路徑圖（圖源：MPS公司）

從MPS公開的電源模塊發展路徑圖可以看到，MPS可以覆蓋從6V到75V廣泛的電源模塊產品，包括車規級產品；同時，在高壓45V~75V方面的產品相對少一些。Roy Tu表示，MPS未來將在更高的輸入電壓和更大的輸出電流方向進一步拓展。