适用于集成式功率级的顶部和底部散热方案

适用于集成式功率级的顶部和底部散热方案

虽然稳压器模块的额定功率和转换效率都在不断提升，然而对其的预期尺寸却正在不断减小。因此，有效散热依然是设计上的一大挑战。本博客文章讨论了Flex Power Modules旗下产品的一些散热设计选项。

最新的服务器应用诸如AI和机器学习等，都十分耗电，与此同时，数据中心的经理们想要在机架中放入更多刀片单板来提高可用空间的利用率。这给电力传输网络带来了压力，尤其是对在最狭窄的空间里产生高电流的“负载点”DC-DC转换器或稳压器模块（VRM）而言。为了解决这个问题，VRM已经被开发成高效而且紧密地集成到终端负载，另一种方式是将VRM功率级变成一个单独模块，并将用户自选的控制器放置在他处。这些“功率级”能有效地利用空间，并通过占地面积小于1平方厘米的封装实现约150 W/cm3或更高的惊人功率密度。然而，即使实现了远高于90%的效率，也仍然意味着有10 W左右的功率被消耗并从模块中流走。

Flex Power Modules的BMR510和BMR511集成式功率级是尖端技术的典范，该产品具有80A（峰值140 A）的连续额定电流、高达15 V的宽输入范围以及低至0.5 V的可调节输出。BMR510和BMR511（图1左侧和右侧分别展示）的区别在于不同的解决散热问题的方式：BMR510采用顶部散热，而BMR511采用底部散热。两者均可提供LGA或可选的焊球端子可选-。

图1：Flex Power Modules的BMR510（左）和BMR511（右）集成式功率级分别具有顶部散热和底部散热

不同的散热方案

BMR510经过设计，使其主要发热半导体位于半导体表面共面的顶侧子板上，并能够轻易连接冷板或散热器，它们通常用导热垫片来夹紧。小部分散热是通过模块及其端子到主板的传导实现的，还有一部分是通过与周围空气的对流提供的。考虑到这一点，Flex Power Modules提供了一张降额图表（图 2），其中包含了冷板温度和主板温度，显示在13.5 V输入和最高达90°C冷板温度/60°主板温度下可以获得完整的80 A电流输出。这是在使用0.5 mm绝缘导热垫片，热导率3.5 W/m.K下得出的数据。顶部散热法适用于那些主板上方有足够空间的应用，这样可以安装冷板，或具有强制或对流冷却空气的散热器；也适用于主板通过其块体和铜平面散热能力有限的情况。

图 2：顶部散热的BMR510集成式功率级随着冷板和主板温度的变化而降额

相比之下，BMR511被设计为底部散热，大部分由半导体产生的热量通过模块基板再通过端子到达主板。模块的顶部是主电感器的平坦表面，也可用来连接散热器或冷墙以进行额外散热。由于到主板的热阻相对较高，BMR511需要配合一定的气流，并能够在4 m/s的流速下在超过80°C的环境温度中实现其满载80 A输出，如图 3。如果您使用了冷板，则可在12 V输入、高达90°C的主板和冷板温度下获得满载80 A输出。这是在使用1 mm导热垫片，热导率8 W/m.K下得出的数据。BMR511的底部散热法适用于模块上方空间很小或没有空间、可以使用强制风冷，以及主板被设计为通过其表面耗散功率时。

图 3：底部散热的BMR511集成式功率级随着环境温度和指定气流而降额

验证性能

所有应用的机械排布、气流和最终热能吸收的热阻都有差异，因此Flex Power Module用全面的标准来定义其模块热性能。这意味着要使用定义的模块方向、气流速率和温度以及定义的主板和冷板尺寸及其热阻进行测试。在产品数据表中，我们已经用其最高允许的温度标识出了临界点。但产品仍然加入了过温保护，并可上报温度以进行远程监控。作为额外的辅助，Flex Power Modules可根据您的要求来提供这两款产品的热模型。

主板上方的空间决定了使用散热器或冷板进行顶部散热是否可行。如果可行，那么对主板散热能力的担忧就不足为患了。如果出于空间原因或为了节省散热和固定成本而选择底部散热，那么必须对主板的散热能力进行设计和评估，而且通常需要控制气流。无论哪种情况，Flex Power Modules的集成式功率级产品均有良好表现，而且可以提供全额定输出。