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解读工业4.0和5G通信对电源行业带来的新变革

随着工业4.0和5G市场的演进,对于电源提出了新的要求。日前,MPS电源模块产品经理孙毅以MPS的新品为例,具体解读了如今电源行业的发展态势。

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MPS电源模块产品经理孙毅

市场对电源的新要求

孙毅表示,更短的开发周期,更小的方案尺寸,系统以及电源的散热问题,抑制EMI噪声,FPGA等复杂电源时序管理以及系统集成以及高速ADC/DAC的低噪声供电是对如今电源技术提出的要求,虽然都是电源行业永恒的话题,但是在全新的市场下又有着更多的要求。

具体来说,比如开发周期上,以往对于分立电源方案来说,设计周期需要18周以上,其中包括了选型、采购、布局布线、环路补偿计算、打板等,“比如说100A的电源,分立方案会用5颗芯片,包括控制器,驱动器,电感等,这就涉及到包括电流采样电路、解耦滤波电路、环路补偿电路、多相交错电路等各种复杂的设计。

而对于方案尺寸来说,随着如今布板面积越来越紧凑,给与电源的空间有限,此外,5G基站会有很多高速线,对于分立元件来说,电源下面是不能走线的,所以实际利用率可能跟还会更低。

其次是空间对于散热也提出了新的要求,尤其是诸如工业及基站等严苛环境中。

随着频率越来越高,EMI也有着新的标准,需要有更多处理方法,同时又需要更反复的设计迭代。

而针对FPGA/ASIC复杂的电源设计,孙毅以赛灵思RFSoC FPGA为例,该芯片就需要13路电源,如何处理这13路电源是一项巨大挑战。

低噪声的供电要求,对于射频链路来说,噪声是需要严格控制的,比如RFSoC FPGA中,对于ADC以及DACs供电纹波要求在1mV之内,以前需要用LDO来做,但是在大功率的系统中,LDO的效率不够高,发热严重,所以对于低噪声要求的系统来说,一方面要解决纹波和动态性能要求,另一方面需要大幅度提高效率来解决系统散热问题。

MPS的电源模块如何解决电源挑战

MPS的电源芯片将上下MOS管、控制电路、驱动以及保护电路等有源部分以及电感等无源器件集成在一起,构成最基本的电源模块架构,可解决电源领域遇到的种种挑战。通过高集成方案帮助客户缩短从选型到各类设计再到可靠性验证的世界,根据MPS给出的数据,将由18周缩短到5周,提高了70%以上。

而为了实现模块的小型化,MPS主要依靠的四项关键技术。

首先MPS采用的是单晶圆工艺,相比SIP封装之外,单晶圆的方式可以实现更好的集成度及可靠性。

第二,是采用倒装封装方式,减小了芯片的占板面积,同时还减少了各种寄生参数,无需额外大容量的电感等解决寄生问题。同时倒装铜柱还可以更好的进行散热。

第三,是率先采用了更先进的65nm制程工艺,通过提高转换频率,实现更小的电感体积。

第四,则是利用了3D封装技术,将电感直接架在电源芯片上面,和传统封装形式相比面积进一步减少。

值得注意的是,MPS没有自己的晶圆厂和封装厂,但却投入大量开发新的工艺技术,并租用晶圆厂设备,公司将其称之为Fablite模式,既保证了工艺的独到性,又可以更有效率利用资金成本。而这些技术除了实现小型化之外,在散热、EMI、噪声及功耗方面同样都利用工艺和设计,可以达到更优化的效果。比如在EMI方面,MPS利用集成的对称输入电容,通过相反的电流方向,有效的反相抵消了“热环路”电磁场。此外,MPS产品利用可编程频谱展开,芯片开关频率在预设频率附近扩展,降低尖峰噪声,dv/dt也可调节至符合 EMI 要求的水平。

在支持多路电源输出时,MPS采用的是推出PMIC方式,比如赛灵思的ZYNQ系列需要四路电源,而新推出的54304直接支持4路输出,同时为了客户的差异化,MPS也有更多单路输出电源提供,支持并联、多路输出、时序控制等不同功能,而针对FPGA的多路输出产品,则更加方便。
针对FPGA的单路输出产品,孙毅特别强调了MPS具有更好的动态负载性能。比如采用两个MPM3695,实现100A跳变方案,满足赛灵思过冲和下跳不能超过±25mV的要求,而且只用了6颗电容,非常简洁地完成了FPGA的要求。

更广泛的产品组合

孙毅表示,MPS的电源模块产品提供了丰富的产品组合,输入电压从6V到75V,输出电流涵盖0.6A至100A甚至800A,可以说覆盖了5G或工业市场的方方面面。包括5G 基站、AI加速卡、光模块、测试设备、传感器/相机、工业应用等多应用。

孙毅结合几款MPS模块电源产品,解读了电源领域的挑战。

比如MPM54304,这是业界首款为FPGA等配套的PMIC 模块,具有四路输出,输出电压范围0.55V至5.5V,包括双路3A和双路2A,支持并联,采用 7x7x2mm LGA 封装。该模块高度集成了功率芯片、电感和输入电容等,并具有完整的数字管理功能,可提供启动/关机时序,对电源的性能和可靠性有非常大的提升。相比传统方式,该模块具有尺寸小,配置灵活,布局简单等多种优势,比如针对赛灵思ZYNQ-7020,只需要一个模块就可以实现完整的解决方案。

第二款新品是MPM3695-100,可提供100A输出的电源模块,支持最多8路并联至800A。采用 15x30x5mm BGA 封装,输入电压范围为 4V-16V,输出电压范围为0.5V-3.3V,在0.5V-1.8V输出电压时可输出100A,在1.8-3.3V输出电压时可以实现60A输出。该模块内部实现四相交错并联运行,具有均等的3.2MHz 的开关频率,同时具有超快瞬态特性,可最大化降低输出电容要求,由于交错运行,所以电压纹波只有不到5mV,仅需 4x47uF 输出电容即可。同时,该产品具有极高能效,峰值效率12V转1V可达91%,转3.3V时可达94-95%。需要多路并联时,只需要4根线就可以相连,并实现时序同步。

第三款新品是MPM3596,具有45V高压输入, 支持双路3A或单路6A输出的数字电源模块。该产品输入输出电压范围可涵盖目前所有工业总线标准,同时具有双路灵活输出功能。而作为数字电源,支持编程,支持遥测回读功能,可以远程读取模块的电压、电流、温度以及故障等功能。采用双侧输入电容,频率抖动/频谱扩展可以降低EMI。支持峰值电流控制模式,外部同步时钟等。

孙毅表示,未来分立市场依然有发展空间,尤其是在板上空间受限的情况下,没有一块完整的面积进行电源布板,这时分立方案要更合适,此外对于单路电源有一些灵活要求,也只有单路电源可以满足。

MPS成立了20多年,进入模块电源领域也已经有七、八年的历史了,每年都能保持60%以上的增幅,为了更好地服务客户,目前MPS在官网上也提供模块电源的定制化服务,客户可以直接在网上下单,定制适合自己设计指标的模块电源。孙毅强调道,目前MPS除了和国外处理器厂家合作,同时也和国内众多处理器客户合作,开发合适的电源模块驱动。

对于5G来说,电源架构往往是标准化的,而对于工业4.0来说,应用相对较为分散,因此对电源的需求也呈现多样化,但无论是哪种应用,MPS都已经打足了基础,做好了产品规划蓝图,不断满足市场遇到的新挑战和新要求。

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