为何5G基站需要不一样的电源模块？

虽然数字IC在AI和异构的加持下闪耀光辉，但模拟IC特别是电源管理IC同样躬逢盛世。据预测到2026年全球电源管理芯片市场规模将达到565亿美元，特别是即将到来的5G、工业4.0及汽车电气化的大规模布局，不断成为电源管理芯片的助推剂，而变革也随之而来。

催生新要求
 
仅从5G来看，因5G基站需更多的天线、更多的射频组件、更高频率的无线电等，显然为电源管理芯片提出了更高要求。而且为实现相同范围的覆盖，5G基站将采用更加密集的组网方式，估计我国5G宏基站数量约为500万座，达4G基站数量的1.5倍，加上微基站市场将更为可观，电源管理芯片的规模也在水涨船高。而工业4.0的发展亦方兴未艾，同样蕴含着巨大的机遇。
 
尽管电源管理IC有着始终不变的追求，但MPS电源模块产品线经理孙毅认为，对于工业4.0和5G基站来说，更短开发周期、更小尺寸、散热、抑制EMI噪声、FPGA等复杂电源时序管理以及高速ADC/DAC的低噪声供电等全面提升到新的“高度”。
 
而要满足这些需求，非电源模块莫属。因为如果还是换汤不换药采用分立方案，那难免捉襟见肘。“分立电源方案开发周期需要18周以上，包括选型和采购、布局布线、环路补偿、制板和封装等。”孙毅提及，“比如输出100A的电源，分立方案或会采用5颗芯片，4颗电感等，这就涉及包括电流采样电路、解耦滤波电路、环路补偿电路等复杂的电路设计。”
 
不止如此，由于分立方案需要占据主板的大面积，但紧凑的系统设计需求与之相悖，难以两全。孙毅具体解释说，因5G基站载板芯片包括基带、FPGA、收发器等，很多高速线可布在可并联的电源模块下方，从而有效提高板上走线面积。而分立模拟IC有很多的SW Pin，无法在下方走高速线，因而实际可用面积会更小。
 
此外，由于工业及5G基站应用产生的高功率密度，对散热也提出了新的要求。而且随着频率越来越高，EMI测试标准日益严格，需要进行多个版本PCB修改及调试。同时因5G基站载板采用了众多的FPGA/ASIC，针对FPGA/ASIC的电源设计更加复杂，涉及电源轨数多、严格的启动/关机时序、精度高、响应速度快、低噪声等。孙毅以赛灵思SoC FPGA为例，该芯片就需要13路电源，如何处理是一项巨大挑战。
 
而对于芯片中ADC以及DAC射频链路的供电要求，噪声是需要严格控制的。比如RFSoC FPGA中，对于ADC以及DAC供电纹波要求在1mV之内，在效率和动态纹波层面要求更高。
 
集成化应对
 
要解决上述多重挑战，需要电源模块的自我“革新”。
 
MPS的电源模块则通过将上下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的“大一统”，力克电源领域的各种挑战。
 
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时间。根据孙毅给出的数据，将由18周缩短到5周，提高了70%以上。同时，还简化了设计复杂度、PCB布板风险，在需要更大电流时则可通过并联轻松实现。MPS提供的100A的电源模块，通过并联可实现800A，在并联时可把100A当成标准模块，最短只需要4根线就可互联，简单方便。
 
为实现更小的方案尺寸，MPS采用四项“绝活”来层层递进。孙毅介绍，单晶圆的功率+控制集成工艺减少了芯片50%的面积以及成本；倒装封装工艺则减小了封装带来的多余占板面积；而先进制程加单晶圆再加倒装工艺，则减小了寄生参数，使得通过提高开关频率减小电感体积成为可能；而电感的3D封装使电感直接架在IC上，进一步提高功率密度同时还减少模块五成的面积。
 
这些“叠加”的创新带来了诸多好处，不仅模块占用面积小，采用的外围器件也随之减少，还带来了成本的降低，同时不需要单独做补偿控制等，开发成本也大幅缩减。
 
相应地，在散热、EMI、噪声、功耗以及支持多路电源输出等的表现同样出色。“比如散热，通过优化模块设计 减小功耗、倒装工艺降低了热阻、3D封装使散热更均匀等。又如在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，优化SW节点设计减少EMI辐射等等。” 孙毅着重说。
 
孙毅进一步指出，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，覆盖了5G 基站、AI加速卡、光模块、测试设备、传感器/相机、工业应用等多重应用。
 
各成其就
 
诚然，电源模块顺应了工业4.0和5G基站的需求，但并不代表分立电源管理IC没有空间。
 
“分立方案仍有市场空间，尤其是在板上空间受限时如果没有一块完整面积，这时分立方案要更合适。此外系统如对单路电源有要求，分立则更灵活，分立方案将长期存在。”孙毅进一步强调，“但对于多路应用来说，电源模块会更简单，因可提供一套完整的方案。”
 
虽然通过诸多层面的创新让电源模块大展身手，但未来仍有诸多“进阶”空间。孙毅表示，一是芯片制程会不断提高；二是模块封装技术将不断产生迭代性的突破，之前是2D，现在是3D封装；之前使用的是引线框架单层PCB设计，现在是多层（4层或6层）设计等。三是从模块的磁设计方面入手提高性能。
 
而市场需求强力增长背后的主要受益者除却TI、NXP、MPS、英飞凌、ADI等国际大厂，国内的矽力杰、圣邦微电子等厂商也将大有可为，但还要在电源模块、数字电源等层面不断加强研发。
 
值得注意的是，MPS没有自己的晶圆厂和封装厂，但通过租用晶圆厂的一部分设备和人员，采用自己独特工来进行生产，在国内与5家晶圆厂以及封测厂合作，这一Fablite模式既保证了工艺的独到性，又可更有效地利用资金成本。