引言

　　目前，通信和計(jì)算設(shè)備中，大多使用的是分布式電源架構(gòu)，這一電源架構(gòu)常常采用板載電源（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，隨著器件、電路和封裝方面的發(fā)展，BMP模塊也在變得擁有更高的效率、更小的尺寸、更輕的重量和更薄的厚度。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)，但仍有不少不足之處，例如熱性能、強(qiáng)度和長期可靠性等方面會有問題。事實(shí)上，盡管市場上大多支持開放式電源模塊，并且關(guān)于其不需要散熱器的這一優(yōu)點(diǎn)大肆宣傳，但卻很少有關(guān)于不同BMP封裝特性的公正客觀的數(shù)據(jù)。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)常會感到迷惑，有四類主要的BMP封裝需要考慮：單板封閉式、雙板封閉式、單板開放式和雙板開放式電源模塊。

　　1 單板封閉式與開放式電源模塊

　　一般情況下，人們通常認(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，這雖然正確，但只是一部分。影響熱性能的因素有很多，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)以及幾何配置等，因此，并不是說，有較大的表面積，就有更有效的熱傳遞和更好的熱性能。

　　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，它是由額定特征長度、空氣速度和空氣粘滯度來定義的。

　　在典型的BMP應(yīng)用中，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量，同時(shí)將電路板間距做為特征長度。對于橫流，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。

　　當(dāng)空氣流速小于1ms-1時(shí)，封閉式模塊熱性能要好一些，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。

　　2 雙板模塊測試

　　雙板電源模塊測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，模塊和測試板間的間隙約為0.1575英寸。

　　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)了頂部的對流，這里的氣流速度是快的。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。

　　3 結(jié)語

　　在熱性能方面，單板封閉式模塊會比相同的開放式模塊表現(xiàn)更好，而且在自然對流或空氣流速很低的情況下，封閉式模塊的表現(xiàn)也更出色。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。