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近几年来，板级电源模块产品呈现爆炸式发展态势，其集成度高、体积紧凑的优点，吸引了越来越多的终端客户选择。而越来越多的应用类型、越来越复杂的使用场景，也对电源模块产品提出了更高的挑战。如何达到性能最优？如何提升用户设计体验？如何增强可靠性？各种尖锐的问题，促使IC电源厂商不断追求着控制策略优化、工艺优化、设计结构优化。MPS在电源模块产品设计方面有着自己独到的理解和技术沉淀，并藉此推动电源模块产品的交付量迅猛增长。

什么是板级电源模块？答案似乎很简单：把诸如阻、容、感等被动器件，与电源IC封装在一起形成一个整体，这就是一个典型的板级电源模块。但是，这样简单将单颗IC结合被动器件组装出一个电源模块，能否完全激发出性能潜力？这个问题值得电源厂商思考。让我们先来聚焦电源模块应用，甚至推广到板级电源应用中存在的一些痛点：

• AI、数据计算等应用领域，对更大电流能力、更高功率密度解决方案的需求；

• 更紧凑的装配空间，更苛刻的散热条件，导致产品在追求更小体积和更好散热之间难以取舍；

• 越来越复杂的系统让供电轨数急剧增加，如何更好的布板、梳理复杂的电源层、优化电源时序控制、优化EMI问题，也让硬件工程师头痛不已；

• 电源模块通用性需求，为减轻供应链管理难度，物料归一化呼声日渐增多；

• 电源模块智能化、数字化趋势明显，诸如智能均流、智能并联、在线监控等功能，逐渐成为复杂系统供电设计的刚需。

图1 电源模块的痛点聚焦

面对这些硬件设计中的痛点，多路数字电源模块的优势越来越明显。除了满足客户常规的“小体积”需求外，其“高效散热、可扩展性、可兼容性、智能化”等特点更能给实际硬件设计带来前所未有的便捷。MPS如何将模块做到既小又好，让我们来一睹它们的技术细节。

高功率密度和3D封装的多路模块

• 3D封装大幅减小占板面积，有效提高布局密度；

• 更灵巧的模块外形设计，模块能贴近负载端放置，减小布局带来的线路损耗；

• 灵活方便的多路并联模式，单一输入源可降低布板复杂程度，进一步减少线路损耗；

• 并联功能增加模块的输出能力，更让电路工作在多相交错状态，减小模块开关损耗

图2 典型3D封装示意图

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。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。5mmx5.5mm和5mmx6.5mm的极小尺寸，让这两款模块在AI加速卡供电以及光模块等PCB布局空间极为狭小的应用场景中大显身手。

• 优化散热设计的多路电源模块模块

图3 电源模块3D封装三热仿真

图4 电源模块加强散热型设计仿真

• 特殊的3D封装，将本体温度较低、导热性能较好的金属粉末电感层叠安装在晶圆上方。电感磁芯导热系数高，能有效帮助晶圆散热，从而消除整个模块中的散热瓶颈，使模块整体发热均匀、减轻系统级散热压力。在此基础上，单颗多路输出的PMIC晶圆配合多颗电感的3D封装方式，更能把散热优势推向极致。

• 针对大电流产品，在模块内部晶圆上增加高导热系数的散热零件，也是有效消除晶圆散热瓶颈的方式。

MPS推出的业界体积超小的20A电源模块MPM54524是优化散热设计的一个典型例子。它采用了ECLGA封装，体积压缩到8mmx8mmx2.9mm，与此同时散热性能优于同性能的分立器件解决方案。此外在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。

·多路输出及负载智能分配的电源模块                                             

在一些板卡或者其他系统组件热插拔操作中，常常会遇到一种头疼的场景：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。我们来看交换机中光模块端口供电的传统设计方案：

图5 传统光模块端口供电方案

各型光模块协议定义中，将进入光模块金手指的3.3V供电电源分成了3路，分别给光模块的接收端、发射端，以及内部逻辑控制电路供电。这样定义的初衷，是由于光模块接收端、发射端对电源噪声较为敏感，独立供电能尽可能将电源噪声隔离，提高光模块传输性能。但实际设计中，光模块的尺寸和高频走线极大压缩了电源走线的空间，于是在很多光模块设计中会在内部将3路走线连接在一起。这样，光模块端口在插入不同厂家生产的光模块时，会有两种可能性：3路3.3V独立供电，或者3路3.3V被短接在一起集中供电。传统的供电设计，是通过单颗大电流电源得到3.3V电压后，经过一系列负载开关、LC滤波电路将电压轨相对独立成3路，满足可能出现的独立/集中供电。这样的冗余设计导致了供电端口体积剧增，硬件成本也会随之飙升。

MPS推出具备智能负载分配功能的电源模块MPM54313则能干净清爽地解决此类问题。三路输出降压电源模块，每路输出电流3A，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，支持9A输出。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，减少供电端口外围监控电路设计。在使用智能电源模块方案后，供电端口体积和成本大大降低：

图6 智能光模块端口供电方案

• 多路电源模块EMI优化及数字监控功能

在MPS多路输出电源模块家族中，除前文提及的各种独门秘技外，数字监控、上位机辅助调试、EMI优化等家族式特点更推动电源模块产品成为硬件工程师们的首选。

图7 数字化上位机辅助调节界面                     

图8 某型多路输出电源模块EMI辐射测试曲线

数字监控功能得益于MPS晶圆设计的传统积累，能提供模块运行状态监控、开发调试、数字配置保存及导入等一系列功能。而EMI设计方面，通过器件3D布局，减少SW Copper的天线效应；多路集成化设计则可以实现内部电磁干扰的实时补偿；基板设计上，在功率平衡流动和过孔通流方面做文章，优化磁场分布来约束电磁辐射；抖频功能更帮助EMI频段薄弱点实现能量分散，减小了辐射峰值。

在电源模块应用领域，MPS优势独特，可以帮助客户成功、快速地开发安全、智能、可靠的解决方案。作为一家全球领先的半导体供应商，MPS凭借敏锐的洞察力和优秀的模块设计，可以满足复杂多变的供电需求，助力客户创造更大产品价值。

关于MPS

Monolithic Power Systems, Inc. (MPS)是一家全球领先的半导体公司，专注于基于芯片的高性能电源解决方案。MPS 的使命是减少能源和材料消耗，从各个方面改善生活质量。公司于1997年由CEO Michael Hsing 成立，拥有三大核心优势：深厚的系统级知识、强大的半导体设计专业知识、专有的半导体工艺和系统集成技术及创新能力。这些综合优势使 MPS 能够为客户提供具有可靠、紧凑和单片的解决方案，使其产品更节能、更经济，同时也为我们的股东带来持续的投资回报。更多MPS信息，请访问www.monolithicpower.cn或各地办事处。

Stephen Russell

作者：Stephen Russel (单位：TechInsights的Sr. Process Analyst_Power Devices)

合著作者：Ramya Cuduvally（单位：CCEM和麦克马斯特大学材料科学与工程学院）
Brian Langelier（单位：CCEM和麦克马斯特大学材料科学与工程学院）

去年，TechInsights通过一系列博客展示了电气特性的力量，对于揭示碳化硅器件规格书远远不能提供的碳化硅器件特性。

分析半导体掺杂的技术多种多样，例如：

• 扫描式电容显微镜（SCM ），我们经常将它包含在我们的功耗报告中，这为我们提供了大面积的相对掺杂物分析。

• 扫描式电阻测定（SRP）和二次离子质谱（SIMS）可以给出定量分析，但是尺寸有限。宽度小于1μm的掺杂浓度的绝对值很难辨别。

• 原子探针层析成像（APT）是一种非常适合小面积分析的技术，它允许在原子尺度上进行三维成像以及化学成分分析。它可以给出关于同时存在的离子的深度剖面和质谱的生动剖析。

APT功率

APT的工作原理是将场蒸发（FE）原理与飞行时间质谱（TOF-MS）相结合。离子到达检测器的顺序和它们的（x，y）坐标已知的情况下，可以应用简单的基于几何投影的算法来最终实现样本的3D重建。APT可能提供介于0.25-1.25nm的高空间分辨率，具体取决于所分析的材料。

同预测一样，APT的灵敏度只受计数统计的限制，如果探测足够大的体积，灵敏度可以达到10原子ppm。 因此，APT是一种强大的3D元素绘图技术，有可能产生接近原子级的分辨率和接近单个原子的检测效率。

TechInsights的UnitedSiC第四代SiC JFETs库中已经收集了大量分析：而这些分析内容可以在我们的订阅中的SiC电源电路布局报告、电源要点摘要和工艺流程分析里找到。 该产品还是前一篇博客的主题，也是关于讨论SiC产品电气特性测试超过规格书的参数范围的博客系列的一部分。目前，TechInsights和加拿大安大略省麦克马斯特大学加拿大电子显微镜中心（CCEM）的同事们合作，以开展更深入的分析。

CCEM拥有各种最先进的电子和离子显微镜，以及CAMECA局部电极原子探针（LEAP）4000X HR（图1）。这些仪表有助于研究各种材料的纳米特性和现象，包括金属、合金、半导体、陶瓷、矿物甚至生物材料。

特别是对于半导体器件的分析，除了元素的定量3D映射和各种层/界面的可视化之外，APT数据还可以揭示有趣的细节，例如掺杂剂对缺陷的分离、纳米尺度特征和界面的浓度分布、局部成分等。反过来，这些信息可以提供对器件性能/故障及其制造工艺的宝贵分析。

图1：CCEM的CAMECA LEAP 4000X HR

目标分析器件–UnitedSiC第四代SiC JFET

UnitedSiC UJ4C075018K4S的额定电压为750 V，导通电阻（RDS.（ON））为18mΩ。 TechInsights之前的博客描述了这个设备的好处（关于进一步的讨论，请参阅全文）

与UnitedSiC第三代产品的3.03 mΩ.cm2相比，这些技术进步带来了更低的1.32 mΩ.cm2的导通电阻（RDS.ON（SP））。这不仅低于UnitedSiC的上一代产品，也低于我们迄今为止观察到的任何650 V SiC MOSFET。（还要注意，这实际上是一个750V的设备）

图2的扫描电子显微镜（SEM）横截面图像中可以看到UJ4C075018K4S的JFET阵列结构。图3中的SCM图像显示了相对掺杂以及沟槽侧壁底部和沿着沟槽侧壁的p型栅极接触。我们着重研究这一区域（特别是在沟槽底部）。

图2：UnitedSiC UJ4C075018K4S的SEM截面图

图3：UnitedSiC UJ4C075018K4S的扫描式电容显微镜（SCM）图像，详细显示了相对掺杂剂浓度

从过去的经验来看，在SiC中的p-type掺杂比例研究一直是具有挑战性的。铝（Al）是最佳的候选受体，但是注入Al的4H-SiC在1400℃退火时电激活率小于10%，需要1600℃退火才能接近100%激活。

与p-type掺杂比例相关的挑战和相关问题，例如来自注入的寿命致命缺陷和来自高温退火的晶格畸变，这就是我们至今仍未见到商业上可用的双极型功率半导体器件（例如SiC中的IGBTs）的重要原因。

UJ4C075018K4S装置的APT

实现FE所需的表面电场的幅度可以高达数十 V/nm，这在实验室设置中几乎不可能实现。为了解决这个问题，APT样品基本上被制备成针状体的形式，其顶点直径为50-100纳米量级，这样一些kV的应用就可以产生所需的表面电场大小。因此，APT样品制备是一个重要的过程，需要专用仪器。使用高度聚焦的高能离子束（通常是镓或氙）实现关注区域（ROI）的目标提升和成形，同时使用扫描电子束使其成像。

使用双光束蔡司透镜NVision 40 （Ga光束）锐化的SiC JFET APT样品的SEM图像如图4所示。

图4：可用于APT分析的Si JFET样品SEM图像

当前研究的目标是量化SiC JFET沟道中的p型掺杂剂，并且显现其在沟道中的3D分布。两次成功的APT实验分别收集了3400万和3700万个离子。确认p型掺杂剂是Al。在解决质量峰重叠后，可以在合理的误差范围内对每个样品中的Al含量进行定量，并得出1e-19 atoms/cm3的平均值（表1）。同一个表中还显示了每次实验测定的Si、C和Al含量。

表1：由APT确定的JFET门区成分

值得注意的是，APT重构揭示了Al在栅极区域内的极不均匀分布，这表明它与SiC中的晶体缺陷分离（图5）。这些缺陷可能是离子注入工艺的结果，每个这样的簇中的Al原子的数量包含大约1000个Al原子。正如人们所预料的，这种设备通道内的局部和随机不均匀组合不可取，因为它们可能增加设备性能的可变性，并最终降低可靠性。

图5：(a)基于SEM图像获得的分析体积的APT重建，显示在(b)具有Al > 0.35 的ROI内的等浓度表面， %, 突出显示了JFET栅极区内的富铝团簇。

总结

这项工作证明，APT可以用于从半导体器件中获得高度局域化的信息。未来，TechInsights希望扩展我们的分析，以研究沿侧壁的掺杂剂分布、SiC/SiO界面的质量和Ni硅化物门内部的局部成分变化。

References

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• UnitedSiC      750 V 18 mΩ SiC FET Power Floorplan Analysis (PFR-2101-804) TechInsights, 2021.

• UnitedSiC      UJ4C075018K4S 750, 18 mΩ Gen. 4 SiC FET Power Essentials (PEF-2101-801) TechInsights, 2021.

• UnitedSiC      UJ4C075018K4S 750 v 18 mΩ Gen. 4 SiC FET Process Flow Full (PFF-2103-802) TechInsights, 2021.

• UnitedSiC      4th Generation JFET Technology Demonstrates Record Breaking Performance,      Where Next? (TechInsights) 2021.

• UJ4C075018K4S      Datasheet (UnitedSiC Website) 2022.

随着可穿戴设备、汽车电子、物联网、云计算等新兴应用的蓬勃发展，以及用户对于智能化生活越来越高的追求同时伴随着工业、储能、5G通信等数字行业的产业升级和持续扩容，作为连接真实世界和数字世界的模拟芯片产品愈发展现广阔的应用潜力，并且市场规模持续增长。

“2021年模拟芯片产业的整个体量达到惊人的728亿美元，年增长率超过了30%，仅次于存储和OSD的器件，增长非常巨大。2022年市场体量仍将保持8.8%的增长率，预计达到790亿美元。”近期，在EEVIA举办的第十届年度中国硬科技媒体论坛暨2022产业链研创趋势展望研讨会上，兆易创新电源产品部市场总监冯忠河先生在演讲中提到：“模拟芯片市场大有可为，这一过程中也有许多新机遇和新挑战，我们希望携手客户一起解决挑战、拥抱机遇！”

图1：兆易创新冯忠河发表主题演讲

巩固数字基础，兆易创新发力电源芯片、竞逐模拟赛道

纵观数字芯片领域，兆易创新已经是全球排名第一的无晶圆厂Flash供应商、其NOR Flash产品市场占有率全球第三，Arm通用型32位MCU在中国排名第一，指纹芯片也是全球市场排名第三。基于“开放创新、追求卓越”的核心价值观，兆易创新在面对多变市场需求下保持前瞻洞察，积极践行多元化布局。冯忠河表示：“兆易创新致力于成为集多种产品于一体的半导体解决方案提供商，为客户、市场提供独特的产品价值。因此，我们希望开拓更多的应用市场，模拟芯片正是当下的最优解。”当然，面对细分种类繁多的模拟芯片市场，如何选择最适合的赛道？兆易创新将当下的主要发力点聚焦在电源芯片的布局上。

根据Yole Développement 的相关数据，电源芯片在2021年的市场规模接近250亿美元，约占模拟芯片体量的三分之一，其中尤以PMIC和DC-DC芯片需求最大。同时，随着便携式产品和新能源汽车的快速发展，电池管理芯片（BMIC）的需求也在迅速增长，预计五年内将接近DC-DC产品市场规模。

图2：Yole Développement 2019-2026年全球电源芯片市场规模分析，按芯片类型

进一步分析，这些巨大的增长潜力将主要来源于通信、储能、工业和汽车等行业。首先在通信方面，5G基站MIMO带来了高达4倍的电源需求增长，单板需求从25$增长到100$；在储能方面，受益于碳中和目标，2021年中国光伏累计装机达到306GW，2050年预计达到5000GW；在工业方面，电源产品的升级迭代对更高耐压、更高可靠性和EMI芯片的需求也在增加；在新能源方面，2022年新能源汽车销量预计达到650万辆，较去年翻一倍，2026年预计达到1600万辆。“因此，兆易创新面向这四大行业市场，积极布局数字和模拟芯片产品线，致力提供系统级的产品组合。电源芯片也是关键一环，我们正持续加大投入。”

四大品类，兆易创新电源产品组合逐步成型

事实上，自2019年兆易创新开始投入研发、启动电源管理产品布局。2021年4月兆易创新第一颗电源管理芯片GD30WS8805正式量产，同年6月兆易创新推出首颗马达驱动产品GD30DR8306，11月首款超低噪声LDO GD30LD330x上市。2022年5月，兆易创新已经有多款Charger产品陆续量产上市。

目前，兆易创新已经初步形成四大类电源产品：第一类是高性能电源，主要以通用的DC-DC和线性稳压器（LDO）为主，应用在通信/网卡、工业、安防等领域。第二类是电机驱动，覆盖从家电、电动工具到智能机器人、工业自动化等丰富应用。电机驱动产品可搭配GD32 MCU，形成灵活、完整的系统解决方案提供给客户。第三类是专用电源管理芯片，主要应用于TWS耳机充电盒、助听器、便携式医疗设备等。第四类则是锂电池管理芯片，目前以通用型充电芯片为主，后续会在储能、汽车等领域逐步拓展。

以兆易创新主推的LDO产品GD30LD3300/3301为例，这两款低噪声、低压降的线性稳压器(LDO)，可提供3A负载电流，其最高压降仅为180mV，也将低噪声、高电源抑制比和高输出电流性能相结合，适用于高速通信、射频、医疗等噪声敏感型领域。“例如，在服务器应用中，其痛点是板卡密度非常高、对功耗要求非常低，LDO负责给专用芯片供电时，必须达到超低压差以及小型化的要求，GD30LD3300/3301在这些特性上就具备很好的优势。再比如IoT设备增加了4G/5G模块，其信号发射瞬间会产生接近3.6A的电流，如果使用DC-DC、纹波噪声就会比较高，这是工程人员不希望看到的。而兆易创新LDO刚好可以满足这个需求，因此在通信应用上也是备受关注。”冯忠河说道。

持续增值客户服务，以系统级产品组合赋能价值

不过，单颗芯片的性能表现固然重要，但系统级的产品组合却可以发挥1+1＞2的作用。如前所述，通信、储能、工业和汽车领域是兆易创新正在积极布局的行业市场，兆易创新拥有广泛的Flash和MCU产品型号、并且已经通过车规级验证，这些Flash和MCU通过灵活的搭配形成系统级产品组合，从而提供给客户优化的解决方案，有助于加快产品上市。基于广泛的系统级产品组合和协同优势，兆易创新电源管理芯片也正积极布局，在多个行业市场为客户提供多样化选择，助力客户实现更加灵活、完整的解决方案。

“例如，扫地机器人应用方案就是兆易创新系统级产品组合中比较典型的一例。”冯忠河指出，“该方案凝聚了兆易创新的众多产品优势，包括存储和MCU，以及GD30DR8306、GD30DR8413等电机驱动芯片和GD30BC2501锂电池充电管理芯片。当然，我们也会陆续增加通用DC-DC、LDO、AFE等产品，形成更加完善的系统解决方案。”

图3：基于兆易创新广泛产品组合的扫地机器人解决方案

另外，GD30WS系列PMIC芯片也是兆易创新面向可穿戴产品和TWS耳机的明星产品。这一系列的芯片可以搭配GD32 MCU，为客户提供TWS耳机充电仓电源管理方案，有效地降低研发成本。在展示区上，兆易创新工程师介绍了一款GD32E230F-TWS评估版，正是采用Cortex®-M23内核的GD32E230F4V6芯片作为主控MCU，以I2C接口方式与PMIC GD30WS8805进行通信，实现了对单节锂电池和耳机的充放电管理。这一方案具备出色的灵活性，MCU、PMIC等元器件均可按需选择。得益于兆易创新的产品兼容性，即使元器件更新换代，也能减少大量的开发工作。

“系统级产品组合是兆易创新赋予客户的一大优势，同时我们还为客户提供了完善的开发工具，拥有易操作性、便捷性等优点，包括为多数评估板配备GUI界面，便于开发人员进行软件调试；配套方案参考样例，方便客户前期评估、节省时间成本和经济成本；在电机驱动评估板，提供了配套的电机，可以节省大量调试时间等等。兆易创新正在不断完善开发工具生态链，致力于提供更好的服务，为全球客户创造更大的价值。”冯忠河最后表示。

近日，第42届GITEX GLOBAL在阿联酋迪拜世界贸易中心落下帷幕。展会期间，大华存储凭借过硬的产品和服务能力，得到业界高度认可，被授予ICT"年度新兴存储供应商"奖项。

GITEX GLOBAL 2022是中东乃至全球最具影响力的科技展会，展会上会评选出信息和通信技术(ICT)行业最负盛名的奖项之一的ICT冠军大奖。今年的ICT冠军大奖由JNS Media International和The Integrator联合举办，在30多个类别中对中东地区领先的ICT供应商、分销商、经销商和知名人士进行表彰。

大华存储是大华股份旗下子公司，专注于存储产品的研发、制造与销售。依托大华股份强大的研发团队和深厚的技术积累，公司在存储领域不断创新钻研。大华存储自2020年8月产品上市以来，加大研发投入，协同产业上下游，公司累计上市6条产品线，300多个SKU，截至今年，产品已经远销海外122个国家和地区。

大华存储以智慧存储伙伴的身份受邀参加此次GITEX科技展，在此次展会上，大华存储携带众多高性能产品亮相，向与会人员展现了优质SSD、U盘等众多存储解决方案。

在移动存储方面，大华S809固态U盘便是其中的佼佼者之一，超跑型的流线设计，读取速度高达540MB/s，颜值、性能双在线。大华C900 PLUS系列NVMe M.2固态硬盘支持Gen3.0，采用4通道高速宽带传输，最高读取速度可达3400MB /s，同时采用铝制散热板，有效降低温度，保证稳定性和效率。大华C970系列采用高性能PCIe Gen4.0控制器IG5220，数据传输速度高达5000MB/s，专为精通技术的高端用户、游戏玩家和专业人士设计。此外，新一代NVMe产品大华C970 PRO系列旗舰级固态硬盘，更是以7400MB/s的速度，为用户带来极速存储体验。

随着新技术的不断涌现，信息安全、电脑配置应用的需求不断扩大，无论是对于企业还是个人来说，都将面临越来越多的数据存储问题。未来，大华存储将会继续以"安全存储领航者"为愿景，围绕国内外客户需求，持续创新，深化与行业伙伴的合作，打造互利互惠的生态体系，用更智能的科技存储方案赋能智慧场景，让用户随时随地感受数据存储的便利，享受智能生活。

稿源：美通社