適用于集成式功率級的頂部和底部散熱方案

適用于集成式功率級的頂部和底部散熱方案

雖然穩壓器模塊的額定功率和轉換效率都在不斷提升，然而對其的預期尺寸卻正在不斷減小。因此，有效散熱依然是設計上的一大挑戰。本博客文章討論了Flex Power Modules旗下產品的一些散熱設計選項。

最新的服務器應用諸如AI和機器學習等，都十分耗電，與此同時，數據中心的經理們想要在機架中放入更多刀片單板來提高可用空間的利用率。這給電力傳輸網絡帶來了壓力，尤其是對在最狹窄的空間里產生高電流的“負載點”DC-DC轉換器或穩壓器模塊（VRM）而言。為了解決這個問題，VRM已經被開發成高效而且緊密地集成到終端負載，另一種方式是將VRM功率級變成一個單獨模塊，并將用戶自選的控制器放置在他處。這些“功率級”能有效地利用空間，并通過占地面積小于1平方厘米的封裝實現約150 W/cm3或更高的驚人功率密度。然而，即使實現了遠高于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集成式功率級是尖端技術的典范，該產品具有80A（峰值140 A）的連續額定電流、高達15 V的寬輸入范圍以及低至0.5 V的可調節輸出。BMR510和BMR511（圖1左側和右側分別展示）的區別在于不同的解決散熱問題的方式：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）集成式功率級分別具有頂部散熱和底部散熱

不同的散熱方案

BMR510經過設計，使其主要發熱半導體位于半導體表面共面的頂側子板上，并能夠輕易連接冷板或散熱器，它們通常用導熱墊片來夾緊。小部分散熱是通過模塊及其端子到主板的傳導實現的，還有一部分是通過與周圍空氣的對流提供的?？紤]到這一點，Flex 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絕緣導熱墊片，熱導率3.5 W/m.K下得出的數據。頂部散熱法適用于那些主板上方有足夠空間的應用，這樣可以安裝冷板，或具有強制或對流冷卻空氣的散熱器；也適用于主板通過其塊體和銅平面散熱能力有限的情況。

圖 2：頂部散熱的BMR510集成式功率級隨著冷板和主板溫度的變化而降額

相比之下，BMR511被設計為底部散熱，大部分由半導體產生的熱量通過模塊基板再通過端子到達主板。模塊的頂部是主電感器的平坦表面，也可用來連接散熱器或冷墻以進行額外散熱。由于到主板的熱阻相對較高，BMR511需要配合一定的氣流，并能夠在4 m/s的流速下在超過80°C的環境溫度中實現其滿載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導熱墊片，熱導率8 W/m.K下得出的數據。BMR511的底部散熱法適用于模塊上方空間很小或沒有空間、可以使用強制風冷，以及主板被設計為通過其表面耗散功率時。

圖 3：底部散熱的BMR511集成式功率級隨著環境溫度和指定氣流而降額

驗證性能

所有應用的機械排布、氣流和最終熱能吸收的熱阻都有差異，因此Flex Power Module用全面的標準來定義其模塊熱性能。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行測試。在產品數據表中，我們已經用其最高允許的溫度標識出了臨界點。但產品仍然加入了過溫保護，并可上報溫度以進行遠程監控。作為額外的輔助，Flex Power Modules可根據您的要求來提供這兩款產品的熱模型。

主板上方的空間決定了使用散熱器或冷板進行頂部散熱是否可行。如果可行，那么對主板散熱能力的擔憂就不足為患了。如果出于空間原因或為了節省散熱和固定成本而選擇底部散熱，那么必須對主板的散熱能力進行設計和評估，而且通常需要控制氣流。無論哪種情況，Flex Power Modules的集成式功率級產品均有良好表現，而且可以提供全額定輸出。