随着5G和AI的发展，电源模块市场增长强劲。预测数据显示，到2024年仅二次电源模块的市场规模有望从2020年的2亿美元增长到近10亿美元。其中需求增长主要会来自5G通信基础设施、AI数据中心、超算等应用领域。
电源模块的优势
电源模块相比分立器件有几大优势：一是开发周期缩短。传统的分立方案电源设计中，从芯片选型到被动元器件计算和选择等过程就需要至少2周，复杂设计甚至需要到3个月的时间；接下来是较为复杂的原理图和Layout设计、 回板调试验证等，这些工作都需要大量的时间。电源模块产品的特性就是高度集成的，可以给客户省去大量前期选型、验证的时间，并能帮助客户减少原理图和Layout的耗时；据MPS的经验，使用电源模块会比分立方案减少多达70%的设计时间。
电源模块缩短开发周期（图源：MPS公司）
二是体积和散热优势，电源模块可通过3D堆叠的方法，将电感与IC封装在同一块XY区域内，以节省1/3-1/2的PCB板占板空间。
电源模块的体积和散热优势（图源：MPS公司）
决定木桶水量的是桶上最短的木板，而决定电源系统散热能力的，则是发热量最大的部件。通过3D堆叠技术，可对电感进行特殊处理，有效消除芯片的发热瓶颈，提高整个方案的散热能力。
管脚设计上，电源模块的功率路径设计也更为优化，使得功率回路最短、也能够进一步提高诸如EMI之类的客户更关心的性能。
市场增长带来的五大挑战
市场需求增长的同时给电源模块带来了新的挑战。MPS电源模块产品线经理Roy Tu总结为五个方面：
其一，功率密度和模块体积要求越来越严格。随着OAM标准的演进，整个单元中电源方案需要和计算系统方案会深度集成，进一步带来了更严苛的挑战：处理单元的功率需求更高，从600W到1kW，甚至朝着2kW迈进；处理器电流则从几百安培增加到1000安培，甚至是2000安培及以上；随着负载功率增加，90%以上效率已是这类需求的家常便饭；而功率需求增加，整个单元的占板面积客户要求反而要越来越小。
其二，散热的难题。以典型的基站发射杆塔为例，几乎凑齐了所有严苛的散热条件：基站地域分布广，环境温度过高；5G杆塔AAU单元集成度高，但铜铝散热器没有空气流动、全部依靠散热器与环境空气热交换；数据通信流量暴增，5G杆塔功率负载增大，发热源更大。
其三，更多的输出电压轨。由于电源负载数量越来越多，不同的电压轨也越来越多；电源通道数量增加，开关机时序也日渐严格；供电通道多，通道间的电磁兼容问题也会突出。
其四，通用性挑战。不同负载对供电电压要求差别很大，客户需要一种能够兼顾不同电压需求的产品；不同应用的供电电源负载需求千差万别，需要能用尽可能少的物料来覆盖尽可能广的负载电流范围；很多硬件设计中，负载对供电电压要求较宽，负载电流实际大小也与工作环境强相关，需要灵活地应对设计中的冗余需求，尽可能让芯片运行在性价比最好的工作段；终端产品硬件不断迭代下，电源工程师需要拥有足够的可扩展能力的方案。
其五，智能化的挑战。一些复杂的充电系统会有各种Type-C、MCU通讯、辅助电源等需求，需要用更少的芯片完成更多的智能功能。例如，负载会突变的应用，如何智能动态分配负载；在需要智能充电的应用场景，如何识别BMS提供过来的信息；又如一些ASIC、FPGA通讯类的应用需要严格根据负载进行电源调节，如何智能跟踪负载需求，就需要在负载端实现在线智能分配、数字接口、智能监控、防呆设计、智能检测等。
MPS多路电源模块
针对实际应用中的各种挑战，作为在电源模块领域领先的半导体公司，MPS认为，多路电源模块可以有效应对，并会成为未来发展的重要方向。
Roy Tu表示，多路电源模块有四点优势：第一，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；第二，多路输出模块更方便从整体来设计电源的散热方案；第三，由于集成在一起，使用了同一个控制的大脑，就比较容易识别每一路输出的这一个状态，可以实现智能化配置；第四，多路输出模块有更好的EMI性能。
MPM54322和MPM54522（图源：MPS公司）
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，输入电压范围从 2.85V 到 16V，输出电压范围从 0.4V 到 3.8V。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。两款芯片都支持双路远端采样，实现高精度电业控制；支持双相自动交错并联，减少纹波幅值；具备COT控制，可实现快速负载响应；并且灵活配置了数字接口和模式选择功能。同时，5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的极小尺寸，适合PCB布局空间极为狭小的应用场景，如AI加速卡供电以及光模块等。
MPM54524（图源：MPS公司）
MPM54524是业界超小的20A 电源模块，尺寸仅有8mmx8mmx2.9mm，与此同时散热性能优于同性能的分立器件解决方案。模块采用了创新的ECLGA封装，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。
MPM82504E（图源：MPS公司）
MPM82504E集成了散热器，通过内部增加散热器，可支持四路25A输出；可集成I2C数字接口，支持多相并联，一些需要更大电流的应用场景，可将MPM82504E并联在一起，做到6路并联、7路并联或8路并联等，最大可通过8颗MPM82504E并联扩展至800A的负载能力；同时COT提供快速的动态响应，4相交错的内部配置也提供了更小的波纹输出，与竞品相比，同样的输出纹波和跳变性能下，可以节省约一半的输出电容。
在一些板卡或者其他系统组件热插拔操作中，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。MPM54313具备智能负载分配功能的电源模块，能干净清爽地解决此类问题。
MPM54313（图源：MPS公司）
MPM54313三路输出降压电源模块，每路输出电流为3A，且各路独立供电。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。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，也能够通过数字的方法来对模块的某一路进行开通和关断的操作，减少供电端口外围监控电路设计。实际使用中，MPM54313可节省65%的板上空间，节省60%的BOM成本，提高1%~2%的转换效率。
传统多路供电应用中，芯片数量繁多，不同客户PCB布板水平参差不齐，导致不同设计下EMI的性能差异巨大。MPM3596针对这些痛点优化，实现优异的EMI性能。
MPM3596（图源：MPS公司）
MPM3596通过器件3D布局，减少SW Copper的天线效应；MPS多路集成化设计，可在电源内部实现电磁干扰的实时补偿；基板设计上，通过优化磁场分布约束电磁辐射；抖频功能够帮助EMI频段薄弱点实现能量分散，减小了辐射峰值。
此外，在客户ADC不够用但又不愿意额外增加一块ADC芯片时，MPM3596还能够临时将一颗IO口配置为ADC输入，对一些信号做ADC解析。
MPS电源模块发展路径图（图源：MPS公司）
从MPS公开的电源模块发展路径图可以看到，MPS可以覆盖从6V到75V广泛的电源模块产品，包括车规级产品；同时，在高压45V~75V方面的产品相对少一些。Roy Tu表示，MPS未来将在更高的输入电压和更大的输出电流方向进一步拓展。
