板载电源模块―开放式与封闭式的选择

电源模块的中心议题：

板载电源模块的封装选择

电源模块的解决方案：

从空气流态图了解电源模块的热性能

目前,分布式电源架构被广泛用于通信和计算设备中,该电源架构经常采用板载电源(BMP)模块,在尽可能靠近负载点的地方进行电源变换。多年来,器件、电路和封装方面的发展使得BMP模块效率更高、尺寸更小、重量更轻、厚度更薄。这些都导致电源密度的提高,进而为封装技术带来挑战。

尽管开放式电源模块设计具有厚度薄、重量轻等优点,但在热性能、强度和长期可靠性等方面会有设计上的不足。事实上,尽管市场上支持开放式电源模块及其不需散热器优点的呼声甚高,但有关不同BMP封装特性的公正客观的数据却很少。因此,许多BMP模块用户在为其特定应用选择合适的电源模块时经常会感到迷惑,有四类主要的BMP封装需要考虑：单板封闭式、双板封闭式、单板开放式和双板开放式电源模块。

单板封闭式与开放式电源模块

人们经常认为开放式模块在热性能方面的表现比相同的封闭式模块要好,但这一点仅仅是部分正确的。影响热性能的因素包括空气流态图(层状或紊流状)、气流区域分布、材料性质以及几何配置,如电路板间距、器件间距和排列,因此仅仅有较大的表面积并不总是意味着更有效的热传递和更好的热性能。

利用计算流体动力学的方法对不加散热器的模块进行模拟。空气流态图(不管是层状还是紊流状)决定了热性能。流态图由雷诺数(Reynolds Number)来表征,它是由额定空气速度、特征长度和空气粘滞度来定义的。

对典型的BMP应用,气流可分为横流或内流两类,气流速度通常在PCB间离BMP模块一定距离的地方测量,同时将电路板间距做为特征长度。对于横流,从层状向紊流状转变的点发生在R~ 2100时,大致相当于电路板间距为0.984英寸(25 mm)时气流速度为1.25 ms-1时的情况。

空气是不良热导体,从而在开放式模块中层状气流边缘层的热传导性能较差。与此相比,封闭式模块周围封装的热传导率约为0.25 W/mK,大约比空气好十倍,从而有助于散热。因此,封闭式模块的金属壳此时起到了扩展热传导表面的作用。

在1.25~1.9ms-1气流转变区域,更多的空气进入开放式模块的元器件之间,从而提高了局部热对流传导系数和有效的表面积,而这时封闭式模块外壳所带来的散热效应并未相应地增加。因此,开放式模块的热性能在某个点开始提高得比封闭式模块要快。

当空气流速小于1ms-1时,封闭式模块热性能要好一些,最大和平均器件温度都比开放式模块要低。在1ms-1 和2ms-1之间,两种模块的情况有所不同。两者性能相当的转折点发生在流速约为1.25ms-1时,这也正是气流从层状气流向紊流转变的转变点。流速超过2ms-1时,则开放式模块表现出更好的性能。

正如本例所清楚表明的,流态图决定了封闭式和开放式模块热性能的差异。

在输入气流速度较低时,开放式模块中器件间的空气流速经常被高估了。计算发现,输入气流速度为1ms-1时,器件间的平均空气速度小于0.25ms-1,与自然对流类似。

当输入气流处于层状区域时,没有证据表明开放式模块的器件高度变化会导致紊流的出现。同时还发现,封闭式模块为系统带来的流阻并不总比开放式模块高很多,在低流速至中流速时,两种类型的模块差别很小,仅在高流速范围(≥3ms-1)才开始变得明显。

双板模块测试

双板电源模块测试采用的是半砖模块,其中一块FR4电路板中嵌有磁芯绕组,另一块IMS(绝缘金属衬底)板上安装功率半导体器件。FR4和IMS板间的额定间距约为0.2362英寸(6 mm),模块和测试板间的间隙约为0.1575英寸(4 mm)。

这时,开放式模块从FR4和IMS板间的气流获得一些好处,而其金属板也增强了顶部的对流,而这儿的气流速度是最快的。与此相比,封闭式模块表面积较小,并增加了某些器件的热阻,这两种因素都导致在同样热和电气条件下,封闭式模块温度较高。

结语

在所有情况下,单板开放式模块在热性能方面并不比相同的封闭式模块表现更好,而且在自然对流或空气流速很低的情况下,封闭式模块甚至比开放式模块表现更好。当然,当空气流速足够大时,单板开放式模块的温度还是要比封闭式模块低一些。与此相比,双板开放式电源模块的散热性能始终超过双板封闭式电源模块。