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5G基站的电源方案面临哪些挑战?尺寸、散热、EMI…

时间:2019-10-29 作者:黄烨锋 阅读:
围绕“小”的要求,5G时代的电源设计,还能外延出一大堆问题。比如说,“小”体积与高功率密度,对系统散热提出了更高的要求。下面这张图着重展示的就是数据中心的赛灵思Alveo加速卡。如果10个堆叠在一起,空间就会非常紧凑。

电子科技的世界,似乎整体都在朝着更高的集成度在发展。这听起来是句废话,手机、PC、数据中心、工业生产设备无不如是;就连汽车的整体结构都在朝着一台高集成度的计算机在发展。vIXEETC-电子工程专辑

下面这张图是特斯拉今年4月发布的,宣称是“世界上最好的自动驾驶芯片”FSD。这是个双芯片方案,应用在新型的Model X/S/3车型中。FDS可以达到144 TOPS算力。整块板子实际上已经是高密度的板设计了。vIXEETC-电子工程专辑

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这种紧凑设计所限制的,并不只是神经网络加速芯片这些主芯片的尺寸:这块板上很多区域都被电源方案所占据(绿色部分)。紧凑的设计于是对电源方案的“小体积”提出了更高的要求。放在5G时代,这种“小”的要求还有更多的体现,例如5G时代更多的皮基站、飞基站这类小型基站会进入室内,各楼层可能都需要这样的室内基站。位于室内的小型基站自然就需要控制体积。vIXEETC-电子工程专辑

在这种紧凑型、高集成度的发展历史中,我们通常更关注的是“主芯片“,比如说如何把特斯拉FSD的那两颗神经网络加速芯片做小,如何把5G基站内通讯所需的FPGA、射频、信号处理子系统这类组件本身做小。vIXEETC-电子工程专辑

而实际上,电源解决方案也在做各种各样的努力缩小自身占板面积——以其占板面积,它们有时更能成为缩减整板面积的功臣。而且,“你看5G基站,看起来板子的面积也不小。但板上器件很多,包括基带、FPGA信号处理、收发器等。加上走线、散热等,留给电源的面积非常小。”MPS电源模块产品线经理孙毅告诉我们,5G和工业4.0这样的技术趋势,给电源解决方案提出了新的挑战。vIXEETC-电子工程专辑

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MPS电源模块产品线经理 孙毅vIXEETC-电子工程专辑

5G时代的电源要解决哪些问题

前面提到的需求“更小的方案尺寸”是5G基站电源的一种显著外显。围绕“小”的要求,5G时代的电源设计,还能外延出一大堆问题。比如说,“小”体积与高功率密度,对系统散热提出了更高的要求。下面这张图着重展示的就是数据中心的赛灵思Alveo加速卡。如果10个堆叠在一起,空间就会非常紧凑。vIXEETC-电子工程专辑

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于此,整体的工作环境温度变得很高。“往往这里面会有70℃,对室外的5G基站而言,温度甚至可能到90℃。”电源就需要有这样的耐热能力。vIXEETC-电子工程专辑

更重要的是,5G爆发期对产品更短的开发周期会有更高的要求。就电源来看,通常的分立电源方案,“往往需要18周以上的周期:2-12周进行器件选型,选芯片、电感、电容、连接器等;接下来要1-3周进行原理图设计、布局设计;还需要1-3周进行打板、封装等。”vIXEETC-电子工程专辑

而且“对电源而言,选择了电感、电容,可能还要进行环路补偿,这个往往要花大量时间。如果达到十几二十路的电源,可能每路都要去做这样的事,非常花时间。”孙毅表示。vIXEETC-电子工程专辑

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上面这张图是100A分立电源方案的例子,为FPGA或较大型的ASIC供电的电源常见此类。“分立方案可能需要用到1个或者2个控制器,4个DrMOS,4颗大电感,以及非常复杂的电路设计,包括电流采样电路、解耦滤波电路、环路补偿电路、多相交错电路等等。”加上前述要求体积小,更高散热要求等因素,这个问题会变得更复杂。vIXEETC-电子工程专辑

而实际上,问题还远不止次。孙毅总结有关5G时代电源的挑战主要包括有:vIXEETC-电子工程专辑

- 要求更小的方案尺寸,并解决系统和电源的散热问题;vIXEETC-电子工程专辑
- 要求更短的开发周期;vIXEETC-电子工程专辑
- 在EMI标准方面,需要遵守严格的测试标准,EMI调试相对复杂;vIXEETC-电子工程专辑
- FPGA还有着非常复杂的电源设计要求,典型如RFSoC,“它有多达十几路电源,每路电源都需要去协调处理,这是很有挑战性的事情。”vIXEETC-电子工程专辑
- 高速ADC/DAC低噪声供电需求。仍以RFSoC为例,RFSoC的特性就是集成了ADC/DAC,赛灵思的ZCU1275,带12bit 2GSPS ADC,与14bit 6.4GSPS DAC。其纹波要求在1mV以内,“以前我们可以拿LDO(low dropout regulator)来做,但现在效率要求越来越高,比如这里最大电流到4A,LDO效率就不够了。要求一方面解决纹波、动态性能要求,另一方面也需要大幅提高效率,解决整个系统散热问题。vIXEETC-电子工程专辑

需要解决这些问题的应用领域至少包括了5G基站、5G相关的测试设备、光模块,数据中心的AI加速卡,工业控制、机械手臂等。vIXEETC-电子工程专辑

这些问题要怎么解决?

针对上述问题,在某些应用场景中,更高集成度的电源模块就是很典型的解决方案——即便它和分立电源并非单纯的替代和被替代的关系。“我们MPS电源模块,包括一颗功率芯片——这是MPS的核心技术;内部集成上下MOS管,控制、驱动以及保护电路等等。”“除了芯片之外,电感、无源器件等都集成在都集成在一个小的封装内,做成完整的电源方案。”vIXEETC-电子工程专辑

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整合型的这类电源模块方案优势无需赘言:vIXEETC-电子工程专辑

(1)就开发的简易性,当外围电路也包含在模块中时,对下游客户而言,做设计就会简单很多,“模块管脚设计是和客户讨论后确定的”,能够简化原理图和PCB布板;(2)就开发周期而言,这类方案能够减少选型时间,另外“我们采用COT(constant on-time)控制,不需要单独去做环路补偿,调试时间也大大缩短”;vIXEETC-电子工程专辑

(3)而在可靠性认证部分,分立电源方案需要做比较多的可靠性验证,如分别针对芯片、电感、电容等,而针对模块方案,“客户只需要对整个模块做可靠性认证,相当于小系统的验证。这也有利于缩短整个产品的开发周期。vIXEETC-电子工程专辑

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上面这张图,即前述100A设计,分立方案与模块方案的对比。电源模块方案中则将包括控制器、功率MOSFET、电感与滤波电容在内的器件都集成在了一起,如下图所示的MPM3695-100,15x30x5.3mm BGA封装,“这就是100A这样一个完整的电源解决方案”。“其管脚设计,几大块主要就是输入、地、输出;单层走线即可,不需要多层PCB走线相互交织;外围只需要输入输出电容;客户使用模块的时候就非常简单易用,风险很小。”孙毅表示。vIXEETC-电子工程专辑

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体现模块化的另一个优势,在于“对这款模块进行并联,就能满足400A、800A这些更大电流的需求”,因为结构上的冗余设计,所以在MPM3695-100的这个例子中,“只需要左手拉右手,完成连线即可”。这样也就简化了在一些FPGA之上800A大电流的应用。“这个方案其实非常简单,加上输入、输出电容,模块中间加上一些很简单的线,就构成了800A方案。”相较前述复杂的分立方案,优势也就不言而喻了。vIXEETC-电子工程专辑

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在模块与分立电源方案的对比之外,这里我们再谈一谈MPS针对电源模块本身的设计与工艺改进又是如何满足5G和工业4.0时代更苛刻的要求的,比如说如何让电源某块做得更小,以及在体积缩小后如何解决散热问题、EMI噪声问题等。并以此来观察,电源模块现如今的发展趋势。vIXEETC-电子工程专辑

在缩小模块尺寸问题上,就MPS的思路来看:vIXEETC-电子工程专辑

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其一,采用单die的功率+控制器,得以减小芯片的面积。上面这张图中,就基本Buck变换器,一般比较常见的模块设计方案有一个上管、一个下管、一个控制器,外加周围的电感等。“这三颗芯片的占板面积很大”,MPS的方案是以单die的方案将这三部分集成在一起,“减少50%的芯片面积和成本”。vIXEETC-电子工程专辑

其二,在封装方案上,MPS选择的是芯片倒装工艺。这也是个比较常见的方案。一般传统的电源模块,通过打线的方式连接die和引脚,“这种方案简单、成本低,也很成熟。但对模块来说,扩大了整个方案的面积。”倒装工艺在此是将die倒置,通过铜柱连接下方的引线框架。vIXEETC-电子工程专辑

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其三,减小体积的常规策略是提高开关频率,不过这需要建立在高效工艺的基础上。在强行推高频的情况下,寄生电感会带来额外的开关损耗:通过工艺改进来缩小寄生电感参数,才能推进开关频率。“我们90nm工艺已经量产了,部分新产品开始采用65nm制程,我们的FOM(figure of merit),即RDS(ON)与Qg的乘积(导通电阻x栅极电荷),可以表示MOSFET本身性能的这个值会更低,所以效率自然就更高。vIXEETC-电子工程专辑

“典型工业上的应用,比如24V转5V/3A,3.3V/3A,双路输出。传统设计开关频率到300kHz以上,效率反而可能会降低——虽然这么做也让尺寸减小了。”“我们把传统设计两路输出的两个芯片以及电感集成在一个模块中。芯片本身尺寸小,加上封装技术提高功率密度,跑在800kHz-2MHz的频率范围内,电感体积可以做到原来的25-30%左右,整体方案面积减小50%以上。”vIXEETC-电子工程专辑

在芯片制造的工艺选择上,MPS比较知名的就是其Fab-lite模式——这可以认为是某种Fabless方案,但又与一般的Fabless有差异:虽然MPS自己并不负责实际制造,但制程方案具有更强的自主性,许多技术是自行研发的,最终仍由晶圆厂负责制造。这是一种兼顾了灵活性的方案,在工艺选择和技术配合上也更有自主性。vIXEETC-电子工程专辑

第四,3D封装,“在一些特殊的应用场景中,将电感直接架在芯片上方,减小模块的面积”。vIXEETC-电子工程专辑

这四点都是缩小电源模块体积的方案,这些也都是提高集成度的一些常规方向,在实现上仍需技术投入。而如前文所述,体积缩小以后,还需要解决更多的问题,比如散热。vIXEETC-电子工程专辑

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在散热设计上,MPS的方案主体上包括和供应商一起定制电感,降低DC/AC损耗;引线框架和BT基板采用厚铜,降低接触电阻;优化基板布线设计,电流走向更均匀;90nm BCD制程可以减少30%芯片损耗——这些方案都是为了让整个模块的功耗降得更低。vIXEETC-电子工程专辑

除此以外,倒装工艺连接所用的铜柱,能够将热导入到PCB板;某些比较薄的模块(如2mm厚的3695-10),可以放在主芯片下方,与主芯片共享散热器;而前文提到的3D封装,架起电感所用的支撑,也能帮助散热,“相当于半个散热器,让模块散热更加均匀,而不是集中在一个点上”。vIXEETC-电子工程专辑

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针对EMI的问题,MPS在电源模块上也采用了几个方案。首先集成对称输入电容,反相抵消“热环路”移入的噪声——上面这张图的降压电路,噪声最大的环路因为不停开关,会很大的开关噪声,这是一个噪声源。对此,可以采用“解耦性电容”方案,“在模块内部设计中,放两个对称的电容,热回路中产生的磁场会从两侧通过相反的电流方向抵消。vIXEETC-电子工程专辑

其次是通过频谱展开来降低EMI噪声,“通过数字控制模块,以数字方式调整开关频率和开关速度。针对开关频率做展开、抖动,消除尖峰值,将这个频率下的能量,平均地散到其他地方去。”vIXEETC-电子工程专辑

在应对FPGA复杂电源设计要求时,“举个例子,比如工业控制常用的ZYNQ 7020,它需要4路电源。常规的,我们需要拿4个单独的电源来实现它,辅以时序控制。我们新推的MPM54304就是个4路输出的模块。模块包含4路输出,内部有控制器、电感、输入电容,以及时序控制等等。”以此用单个模块实现整个FPGA的供电和功能。vIXEETC-电子工程专辑

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在负载动态响应速度方面,“赛灵思最新的7nm FPGA,要求200A电流,跳变会达到0-100A,同时过冲下跳不能超过±25mV;加上尺寸也有限制,需要更小的电容。所以我们用MPM3695-100双路100A做方案。”如上图所示,“方案本身非常简洁,传统方案可能需要放两排、三排甚至更多的输入电容。”而此处用比较少的电容就满足了动态负载需求。vIXEETC-电子工程专辑

MPS的中小电流、大电流与高压模块

前文在谈5G与工业4.0时代电源解决方案的挑战和解决方案时,已经相继提到了MPS的一些具体产品,也是MPS刚刚发布的几款新品。这几款产品是解决上述挑战和问题的一些实例,它们主体上包括了:vIXEETC-电子工程专辑

(1) MPS宣称是“业界首款”PMIC模块MPM54304。这个首款具体指的是“第一款带有完整数字电源管理功能的模块”,即可通过数字的方式,同时控制4路电源。vIXEETC-电子工程专辑

这是一颗3V-16V输入电压,4路输出,输出电流3A/3A/2A/2A模块(“两路3A可以并联成一个5A,两路2A可以并联成一个4A”),采用7x7x2mm LGA封装。(输出电压:0.55-5V,步进10mV;MTP与I2C支持)vIXEETC-电子工程专辑

其特点如前文所述,即它是高集成度的电源模块,内部包含控制芯片、电感等器件;“最关键一点,它能够提供启动和关机时序,关机时序对FPGA的性能和可靠性都有很大的帮助。”vIXEETC-电子工程专辑

“这个模块在FPGA/ASIC或者多路电源轨方面有很多应用,比如赛灵思的FPGA ZYNQ-7020,我们单模块就可以搞定。”vIXEETC-电子工程专辑

(2)可扩展的100A电源模块,MPM3695-100。即前文多次提到,可以并联输出最高800A电流的模块,采用15x30x5mm BGA封装;输入电压4V-16V,输出电压0.5V-3.3V(其中0.5V-1.8V区间内,输出100A电流;更高电压输出60A)。vIXEETC-电子工程专辑

其特点在前文的解决方案中已经提了多次,包括比分立解决方案减少70%占板面积;管脚设计便于PCB布板;每个模块内部为4相交错并联运行,等效3.2MHz的开关频率,做到比较出色的动态表现;输入纹波5mV以内,4x47μF输出电容就能做到稳定;12V转1V的峰值效率可以达到91%。vIXEETC-电子工程专辑

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MPM3695-100与MPM3596vIXEETC-电子工程专辑

(3)45V宽输入电压范围的MPM3596数字电源模块,可应用于工业总线。其参数包括输入电压3.5V-45V,输出电压0.4V-24V;双路3A,单路6A(并联可实现36A)。vIXEETC-电子工程专辑

其特色主要包括了带遥测回读功能,可读取整个模块的电压、电流、温度等;两侧对称的输入电容设计,可做频谱扩展与频率抖动以降低EMI(车规级CISPR25 Class 5 RE标准);峰值电流控制模式,外部同步时钟;相比传统方案节省50%以上面积;管脚设计简单,可以比较方便地做单路或双路设计;I2C、可编程软件支持。vIXEETC-电子工程专辑

从这些个别的产品中,实际是能够窥见当代一些新应用的电源解决方案发展思路的。在5G和工业4.0涉及到的各个层级、行业提出新的要求时,新的机遇原本也正带来更多的收益。从电源解决方案层面以及MPS的新品来看这个问题时,5G、工业4.0惠及的领域似乎比我们想象得更广。vIXEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengvIXEETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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