板載電源模塊—開放式與封閉式的選擇

2003年8月B版


圖3  雙板封閉式和開放式模塊間的平均器件溫度差別(Tpotted - Topen)

目前，分布式電源架構(gòu)被廣泛用于通信和計(jì)算設(shè) 備中，該電源架構(gòu)經(jīng)常采用板載電源(BMP)模塊，在盡可能靠近負(fù)載點(diǎn)的地方進(jìn)行電源變換。多年來，器件、電路和封裝方面的發(fā)展使得BMP模塊效率更高、尺寸更小、重量更輕、厚度更薄。這些都導(dǎo)致電源密度的提高，進(jìn)而為封裝技術(shù)帶來挑戰(zhàn)。
盡管開放式電源模塊設(shè)計(jì)具有厚度薄、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但在熱性能、強(qiáng)度和長(zhǎng)期可靠性等方面會(huì)有設(shè)計(jì)上的不足。事實(shí)上，盡管市場(chǎng)上支持開放式電源模塊及其不需散熱器優(yōu)點(diǎn)的呼聲甚高，但有關(guān)不同BMP封裝特性的公正客觀的數(shù)據(jù)卻很少。因此，許多BMP模塊用戶在為其特定應(yīng)用選擇合適的電源模塊時(shí)經(jīng)常會(huì)感到迷惑，有四類主要的BMP封裝需要考慮：?jiǎn)伟宸忾]式、雙板封閉式、單板開放式和雙板開放式電源模塊。

單板封閉式與開放式電源模塊
人們經(jīng)常認(rèn)為開放式模塊在熱性能方面的表現(xiàn)比相同的封閉式模塊要好，但這一點(diǎn)僅僅是部分正確的。影響熱性能的因素包括空氣流態(tài)圖(層狀或紊流狀)、氣流區(qū)域分布、材料性質(zhì)以及幾何配置，如電路板間距、器件間距和排列，因此僅僅有較大的表面積并不總是意味著更有效的熱傳遞和更好的熱性能。
利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)不加散熱器的模塊進(jìn)行模擬。空氣流態(tài)圖(不管是層狀還是紊流狀)決定了熱性能。流態(tài)圖由雷諾數(shù)(Reynolds Number)來表征，它是由額定空氣速度、特征長(zhǎng)度和空氣粘滯度來定義的。
對(duì)典型的BMP應(yīng)用，氣流可分為橫流或內(nèi)流兩類，氣流速度通常在PCB間離BMP模塊一定距離的地方測(cè)量，同時(shí)將電路板間距做為特征長(zhǎng)度。對(duì)于橫流，從層狀向紊流狀轉(zhuǎn)變的點(diǎn)發(fā)生在R~ 2100時(shí)，大致相當(dāng)于電路板間距為0.984英寸(25 mm)時(shí)氣流速度為1.25 ms-1時(shí)的情況。
空氣是不良熱導(dǎo)體，從而在開放式模塊中層狀氣流邊緣層的熱傳導(dǎo)性能較差。與此相比，封閉式模塊周圍封裝的熱傳導(dǎo)率約為0.25 W/mK，大約比空氣好十倍，從而有助于散熱。因此，封閉式模塊的金屬殼此時(shí)起到了擴(kuò)展熱傳導(dǎo)表面的作用。
在1.25~1.9ms-1氣流轉(zhuǎn)變區(qū)域，更多的空氣進(jìn)入開放式模塊的元器件之間，從而提高了局部熱對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)和有效的表面積，而這時(shí)封閉式模塊外殼所帶來的散熱效應(yīng)并未相應(yīng)地增加。因此，開放式模塊的熱性能在某個(gè)點(diǎn)開始提高得比封閉式模塊要快(參看圖1)。
圖2給出了具有同樣布局和功耗的單板開放式和封閉式模塊的CFD模型計(jì)算結(jié)果。當(dāng)空氣流速小于1ms-1時(shí)，封閉式模塊熱性能要好一些，最大和平均器件溫度都比開放式模塊要低。在1ms-1 和2ms-1之間，兩種模塊的情況有所不同。兩者性能相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在流速約為1.25ms-1時(shí)，這也正是氣流從層狀氣流向紊流轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。流速超過2ms-1時(shí)，則開放式模塊表現(xiàn)出更好的性能。
正如本例所清楚表明的，流態(tài)圖決定了封閉式和開放式模塊熱性能的差異。
在輸入氣流速度較低時(shí)，開放式模塊中器件間的空氣流速經(jīng)常被高估了。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，輸入氣流速度為1ms-1時(shí)，器件間的平均空氣速度小于0.25ms-1，與自然對(duì)流類似。
當(dāng)輸入氣流處于層狀區(qū)域時(shí)，沒有證據(jù)表明開放式模塊的器件高度變化會(huì)導(dǎo)致紊流的出現(xiàn)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，封閉式模塊為系統(tǒng)帶來的流阻并不總比開放式模塊高很多，在低流速至中流速時(shí)，兩種類型的模塊差別很小，僅在高流速范圍(≥3ms-1)才開始變得明顯。
雙板模塊測(cè)試
雙板電源模塊測(cè)試采用的是半磚模塊，其中一塊FR4電路板中嵌有磁芯繞組，另一塊IMS(絕緣金屬襯底)板上安裝功率半導(dǎo)體器件。FR4和IMS板間的額定間距約為0.2362英寸(6 mm)，模塊和測(cè)試板間的間隙約為0.1575英寸(4 mm)。
這時(shí)，開放式模塊從FR4和IMS板間的氣流獲得一些好處，而其金屬板也增強(qiáng)了頂部的對(duì)流，而這兒的氣流速度是最快的。與此相比，封閉式模塊表面積較小，并增加了某些器件的熱阻，這兩種因素都導(dǎo)致在同樣熱和電氣條件下，封閉式模塊溫度較高(參看圖3)。

結(jié)語(yǔ)
在所有情況下，單板開放式模塊在熱性能方面并不比相同的封閉式模塊表現(xiàn)更好，而且在自然對(duì)流或空氣流速很低的情況下，封閉式模塊甚至比開放式模塊表現(xiàn)更好。當(dāng)然，當(dāng)空氣流速足夠大時(shí)，單板開放式模塊的溫度還是要比封閉式模塊低一些。與此相比，雙板開放式電源模塊的散熱性能始終超過雙板封閉式電源模塊?！?