从MPS发布第三代电源模块新品看电源未来发展趋势

近日，美国芯源系统有限公司(Monolithic Power Systems,简称MPS)宣布推出全新电源模块MPM3695-25，16V，20A，带PMBus的可并联DC/DC数字电源模块。

MPS公司电源模块产品经理孙毅日前详细阐述了模块电源的优势，以及MPS在模块电源上的优势以及MPM3695-25的应用领域等。

MPS公司电源模块产品经理孙毅

模块电源的优势

相比较传统离散方案，模块电源在设计、布局、成本效益、效率和尺寸等方面都具有优势。

电源设计通常是系统设计后段才开始进行，设计者首先会依据产品规格设计出整体结构，在最后时间段根据系统需求及规格，设计出满足此要求的电源，通常这种临时设计只不过是针对上一代电源产品进行临时微调，所以此类设计往往会非常庞大、低效而且浪费严重。

现如今，整个行业发生了越来越大的变化，使得此类设计变得越来越困难。最主要的原因就是开发周期，现在产品推向市场时间越来越短，无法通过反复迭代设计出满意电源，今天的设计必须要求一次通过，并且能够支持从原型到量产的全周期。第二个原因则是电池，如今越来越多的便携设备，必须追求更长待机和更小尺寸，因此效率问题已经成为产品设计中最重要考虑因素。

现如今的产品上，已经没有足够大的空间放置PCB，包括能源之星、ErP等法规要求，对待机功耗有着越来越苛刻的要求，对效率的关注已经从电池设备转向所有电子产品，如果想要满足各类能效标准从而快速进入市场的话，则需要经过额外的设计、测试和认证时间。

我们使用的器件也发生了变化。今天的IC变得更加复杂，他们所需要的电力供应也变得更加复杂。较老的微处理器和现场可编程门阵列（FPGA）只需要一个电压电平。今天的外围丰富的IC可以有许多不同的电压要求，以及需要精确的转换速率和启动序列。

过去十年影响工业的另一个进展是向分布式电源供应发展。与远程转换和遭受传输损耗相比，使最终电压转换更接近负载点提供更高的效率速率。如果系统需要多个不同的供电轨，这些损耗将被放大。

这些电力需求的变化正在同一时期内发展，打破了过去许多设计积累。未来，这些趋势将持续甚至加速，因此电源设计的复杂性也会继续加强，我们同时看到，专门从事电力设计的工程师非常短缺，自从2008年全球经济低迷以来，电力相关公司一直在努力招聘有经验的工程师，因此他们需要的工程师必须满足专业性，同时还要覆盖多个学科。

相比较传统的离散结构，电源模块设计简单、面积小且性能会更高

MPS的优势

正是由于模块电源有着种种优势，在几年前，MPS就借助在高集成度电源管理IC的创新优势，进入模块电源市场，至今已发布30余款DC/DC模块。

典型的电源模块包括了功率元件、无源元件以及电感等产品。

单晶元集成功率芯片是MPS开创的技术，实际上Monolithic的本意就是单晶元。孙毅以传统功率芯片与MPS的Intelli-Phase功率器件进行对比。



如图所示，此为传统的MOSFET驱动，包括上管FET、下管FET及驱动IC均为离散，通过引线互联。“传统结构下如果把驱动信号传递给FET，开通整个MOSFET时，由于有先后性，因此具有一定的延迟，所以频率不会太高，同时由于开通时间比较长，死区时间也会比较长，否则会出现上下管同时导通击穿器件，同时开关损耗也比较大。”孙毅说道。

MPS的Intelli-Phase单晶圆技术则是将上管下管统一串在单晶元中，实现了分布式栅极驱动模块，和离散式结构相比，信号传输速度更快，可以实现同时打开和关闭，极大地提高了开关速度，减少了死区时间（<2ns），并且减少了开关损耗和寄生感应振铃。

同样在封装上，MPS也采用了一些创新技术，比如Mesh Connect倒装工艺，是业界较早采用该技术的电源芯片厂商。相比传统引线方式具有更小的寄生参数，支持更高的开关相应速度，更好的散热空间等优势。

孙毅强调道，MPS十分看重电源模块产品线：“我有很大的自由度，作为电源模块产品经理，我经常跨产品线的去选择芯片。我们只要找准了应用，实际上是可以用公司各部门的芯片来制作模块，所以我们的模块产品遍布汽车、工业、通信、医疗及车载等广泛领域。”

MPS拥有广泛的电源模块组合

实照

MPM3695-25产品特性

由于FPGAs和ASIC的快速普及，也给电源模块设计带来了一定的挑战一一应用需要更宽的无线网络带宽来驱动，而数据中心则需要更高的功率密度、更快的负载瞬态响应和更智能的功率管理功能。因此，理想的电源模块解决方案需变得更加紧凑、人性化可定制、易于使用，同时功率传输能力绝不可输于传统设计。

MPS的这款产品MPM3695-25便是理想中电源模块解决方案的完美代表。MPM3695-25作为—款业界领先的可扩展模块，可提供高达250A峰值电流、200A持续电流和低至0.5V的输出电压（见图一)。相比于分立负载点（POL)电源解决方案，MPM3695-25能提供更高的功率密度（高达60%),可为多个器件提供核心电源。MPM3695-25的封装尺寸仅为10x12x4mm,可轻易满足设计板尺寸要求，是FPGA、ASIC和服务器应用的理想之选。

具体参数如下：

•输入电压：3V-16V
•输出电压:0.5V-5.5V
•持续输出电流20A
•并行电流髙达200A
•差分输出电压检测
•效率高达97%
•自动交错、自动补偿功能
•回读功能：VIN, VOUT, IOUT，TEMP，故障
•通过PMBus可编程：电流限值，SS，FSW，OCP，UVP，OVP, OTP 限值
•尺寸小：QFN 10x12x4mm
•解决方案面积仅180mm2

其中孙毅特别介绍了自动交错和自动补偿功能。

在FPGA和ASIC应用中，为了能满足核心电源的电压要求，功率调节器的快速暂态响应能力变得至关重要。负载瞬态时，用来维持输出的输出电容占据了重要的电路板面积。

MPS通过采用多相恒定导通时间(MCOT)控制模式，最小化输出电容器需求，巧妙地解决了这一难题。故在瞬态响应时，MPM3695-25可以动态调节开关频率，最大限度地降低了输出电容能量需求。MCOT控制模式还避免了传统电流-电压模式控制方案中复杂的补偿网络，从而简化了转换器的设计。

自动交错：对于并联电源模块来说，通常都需要开关相位可以错开运行，对于一些传统的电源模块或芯片来说，必须要通过单独的设置交错角实现控制，而MPM3695-25可以实现主从自动控制，通过主芯片识别并联数量，便可自动设置交错角，而当某个芯片出现错误停止后，又可以进行自动的相位补偿，从而保证系统设计简单且稳定。

自动补偿：对于某些大型设备来讲，板上可能会有几十个电源轨，传统方式来讲，如果需要保证板级电源的稳定性和响应速度，就要设计者手动一路路对电源环路设置补偿并且调试，MPM3695-25的自动补偿可以极大简化多电源轨的设计。

内置PMBus模块可实现很多数字电源功能，处理器可直接读取电压、电流、温度、故障信息等，实时掌握负载状况，以便进行各种调整。同时PMBus的存在还可实现在线编程，让电源模块更具灵活性。

采用PMBus数字电源管理系统，可实现包括变换器控制、可编程以及系统监控等多项优点。

上图为单相及并联时的参考电路图，只需要几个简单的电阻电容，就可以完成整个电源设计，用户无需再关注更多设计细节问题。

对于该产品，孙毅非常有信心，并且拿出了详细的比照表格。



如图，实际上几乎在各个方向上，MPM3695-25都超过了竞争对手。

MPM3695-25特别适合ASIC/FPGA/CPU等大电流处理器，同时又是空间受限区域应用。具体包括5G基站、数据中心、云计算、加速卡、测试设备、音视频产品以及医疗等广泛应用。

孙毅介绍道，MPS和Xilinx、Intel FPGA的合作也有几年时间。“MPS作为处理器电源行业的新玩家，我们通过一系列的创新和努力，成功进入了他们的参考设计。在尺寸、成本、噪声及纹波等特性上，都超越了竞争对手。”

孙毅特别强调了Xilinx采用了MPS的电源模块为其开发板的AD转换模块供电，通常这一块供电由于噪声考虑使用LDO完成，这是Xilinx第一次采用开关电源来做，通过MPS工程师和赛灵思长达一年多的合作调试，通过设置补偿、滤波器以及改进设计等措施，实现了和LDO同等的噪音水平，纹波在一毫伏之内。

而对于Intel来说，尽管公司有自己的Enpirion电源模块产品，但MPS拥有更丰富的产品组合，可以满足FPGA更多电源要求，同时MPS更小尺寸更薄的特点，也适用于加速卡等对空间有严格限制的应用中。而对于服务器上来说，2014年6月，MPS就首次为英特尔Grantley服务器平台提供核心供电方案，而通过Intelli-Phase和QSMOD技术，MPS为处理器提供了更精准的电能供给。

为了方便用户快速开发，MPS同时提供了评估套件、在线教程、在线编程等多种支持。

MPS现场可编程电源模块（Field Programmable Module）

除了传统DC-DC电源模块之外，孙毅还介绍了MPS可编程电源模块mEZ系列。该系列可编程模块是业界首款可根据每个项目的需求来进行编程的模块。通过应用易于使用的编程工具，不仅告别了繁琐的实验室工作，大大缩短了设计周期，还可以从样板制作到量产都使用相同的硅片。产品涵盖降压、升压、PoE以及USB等应用。

孙毅介绍到，该类产品主要客户是针对一些需要快速实现的原型产品，比如一个新的初创公司或者设计一款全新设备，对于一些特殊设备来说，市面上可能找不到完全符合的电源产品，只能买一些标准品进行改造，这会影响产品的上市效率，而通过MPS官网，当输入完一些参数之后，用户在十天内就可以完全定制化的产品，即插即用，一颗起订。网站配置和仿真工具可快速输入负载需求，更改输出电压，调整无源元件参数，并即时评估设计性能。还可立即进行设计更改，避免了耗时的系统验证和电路板返工，大大缩短设计时间。

除了网站上可编程之外，搭配套件之后还可以实现现场可编程及工厂端可编程。

孙毅强调道，MPS会给用户提供完整的电路板设计，当用户需要进入量产阶段时，完全可以直接用MPS提供的各种电路设计、测试结果等资料直接生产，极大简化了用户的设计。

MPS的mEZ模块不止支持在线设计，还支持量产后的自主制造

实际上，该模块更重要的意义，就是发展MPS的电子商务，让更多客户可以通过网站找寻并提交自己的设计。

如图所示，mEZ系列产品无论是在效率还是面积上，都明显小于对手，设计易用性更是远远超过对手。

mEZ产品系列实拍图

未来电源技术将如何发展

作为产品经理，如何定义一款可以被市场接纳的产品需要有一套自己的方法学。孙毅表示，首先从技术上来讲，不断追求更高密度更高效率，第二则是不断满足客户需求。“我的导师李泽元院士曾经讲过，未来电源都会像乐高积木一样模块化，从前端AC/DC到DC/DC再到负载点电源都会是一系列模块产品。”孙毅说道。

孙毅特别强调包括MPS在内的电源公司最重要的驱动力始终来源于客户，他以基站为例，基站的小型化趋势对电源密度会有更高要求，同时体积减小给电源预留的空间越小；其次随着SoC功能越来越强，电流要求越来越大，散热系统设计变得越来越苛刻。而包括安防摄像头等AI产品对于尺寸的要求则更为苛刻。“如何能够把FPGA和人工智能模块装进传统的安防摄像头模组中，这对于电源来说都是不断的挑战。”孙毅说道。

同时，随着产品发展越来越快速，电源厂很难通过一个标准化的产品满足所有客户的需求，客户的时间有限，如何快速满足客户的定制化需求是MPS通过mEZ想要达成的效果。而对于大公司来说，标准品依然是电源管理的重点，所以需要两方面同时努力。

也正是因为每家客户的需求具有特殊性，即使大厂也因为时间或产品开发等限制，很难覆盖到所有的电源需求，这种状况导致了电源管理厂商布局相当分散，这也让MPS可以在某些领域赶上甚至超过大厂。

对于电源模块未来发展，孙毅则表示未来部分领域的电源模块将会由芯片公司或无源器件公司主导，因为芯片厂或者无源元件厂相对电源厂具有更大的成本优势，这也是我们看到越来越多的电源芯片商提供更丰富的电源模块组合，但对于大功率电源来说，传统的电源厂仍然具备设计优势。