適用于集成式功率級(jí)的頂部和底部散熱方案

適用于集成式功率級(jí)的頂部和底部散熱方案

雖然穩(wěn)壓器模塊的額定功率和轉(zhuǎn)換效率都在不斷提升，然而對(duì)其的預(yù)期尺寸卻正在不斷減小。因此，有效散熱依然是設(shè)計(jì)上的一大挑戰(zhàn)。本博客文章討論了Flex Power Modules旗下產(chǎn)品的一些散熱設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

最新的服務(wù)器應(yīng)用諸如AI和機(jī)器學(xué)習(xí)等，都十分耗電，與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的經(jīng)理們想要在機(jī)架中放入更多刀片單板來(lái)提高可用空間的利用率。這給電力傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了壓力，尤其是對(duì)在最狹窄的空間里產(chǎn)生高電流的“負(fù)載點(diǎn)”DC-DC轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器模塊（VRM）而言。為了解決這個(gè)問(wèn)題，VRM已經(jīng)被開發(fā)成高效而且緊密地集成到終端負(fù)載，另一種方式是將VRM功率級(jí)變成一個(gè)單獨(dú)模塊，并將用戶自選的控制器放置在他處。這些“功率級(jí)”能有效地利用空間，并通過(guò)占地面積小于1平方厘米的封裝實(shí)現(xiàn)約150 W/cm3或更高的驚人功率密度。然而，即使實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)高于90%的效率，也仍然意味著有10 W左右的功率被消耗并從模塊中流走。

Flex Power Modules的BMR510和BMR511集成式功率級(jí)是尖端技術(shù)的典范，該產(chǎn)品具有80A（峰值140 A）的連續(xù)額定電流、高達(dá)15 V的寬輸入范圍以及低至0.5 V的可調(diào)節(jié)輸出。BMR510和BMR511（圖1左側(cè)和右側(cè)分別展示）的區(qū)別在于不同的解決散熱問(wèn)題的方式：BMR510采用頂部散熱，而BMR511采用底部散熱。兩者均可提供LGA或可選的焊球端子可選-。

圖1：Flex Power Modules的BMR510（左）和BMR511（右）集成式功率級(jí)分別具有頂部散熱和底部散熱

不同的散熱方案

BMR510經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，使其主要發(fā)熱半導(dǎo)體位于半導(dǎo)體表面共面的頂側(cè)子板上，并能夠輕易連接冷板或散熱器，它們通常用導(dǎo)熱墊片來(lái)夾緊。小部分散熱是通過(guò)模塊及其端子到主板的傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的，還有一部分是通過(guò)與周圍空氣的對(duì)流提供的?？紤]到這一點(diǎn)，F(xiàn)lex Power Modules提供了一張降額圖表（圖 2），其中包含了冷板溫度和主板溫度，顯示在13.5 V輸入和最高達(dá)90°C冷板溫度/60°主板溫度下可以獲得完整的80 A電流輸出。這是在使用0.5 mm絕緣導(dǎo)熱墊片，熱導(dǎo)率3.5 W/m.K下得出的數(shù)據(jù)。頂部散熱法適用于那些主板上方有足夠空間的應(yīng)用，這樣可以安裝冷板，或具有強(qiáng)制或?qū)α骼鋮s空氣的散熱器；也適用于主板通過(guò)其塊體和銅平面散熱能力有限的情況。

圖 2：頂部散熱的BMR510集成式功率級(jí)隨著冷板和主板溫度的變化而降額

相比之下，BMR511被設(shè)計(jì)為底部散熱，大部分由半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量通過(guò)模塊基板再通過(guò)端子到達(dá)主板。模塊的頂部是主電感器的平坦表面，也可用來(lái)連接散熱器或冷墻以進(jìn)行額外散熱。由于到主板的熱阻相對(duì)較高，BMR511需要配合一定的氣流，并能夠在4 m/s的流速下在超過(guò)80°C的環(huán)境溫度中實(shí)現(xiàn)其滿載80 A輸出，如圖 3。如果您使用了冷板，則可在12 V輸入、高達(dá)90°C的主板和冷板溫度下獲得滿載80 A輸出。這是在使用1 mm導(dǎo)熱墊片，熱導(dǎo)率8 W/m.K下得出的數(shù)據(jù)。BMR511的底部散熱法適用于模塊上方空間很小或沒(méi)有空間、可以使用強(qiáng)制風(fēng)冷，以及主板被設(shè)計(jì)為通過(guò)其表面耗散功率時(shí)。

圖 3：底部散熱的BMR511集成式功率級(jí)隨著環(huán)境溫度和指定氣流而降額

驗(yàn)證性能

所有應(yīng)用的機(jī)械排布、氣流和最終熱能吸收的熱阻都有差異，因此Flex Power Module用全面的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義其模塊熱性能。這意味著要使用定義的模塊方向、氣流速率和溫度以及定義的主板和冷板尺寸及其熱阻進(jìn)行測(cè)試。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中，我們已經(jīng)用其最高允許的溫度標(biāo)識(shí)出了臨界點(diǎn)。但產(chǎn)品仍然加入了過(guò)溫保護(hù)，并可上報(bào)溫度以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。作為額外的輔助，F(xiàn)lex Power Modules可根據(jù)您的要求來(lái)提供這兩款產(chǎn)品的熱模型。

主板上方的空間決定了使用散熱器或冷板進(jìn)行頂部散熱是否可行。如果可行，那么對(duì)主板散熱能力的擔(dān)憂就不足為患了。如果出于空間原因或?yàn)榱斯?jié)省散熱和固定成本而選擇底部散熱，那么必須對(duì)主板的散熱能力進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)估，而且通常需要控制氣流。無(wú)論哪種情況，F(xiàn)lex Power Modules的集成式功率級(jí)產(chǎn)品均有良好表現(xiàn)，而且可以提供全額定輸出。