机械设计和布局如今与效率拓扑结构同等重要，而如何从模块中排出热量已成为一门艺术。
1822年，法国医生约瑟夫·傅里叶证明，热量随时间通过材料的传递速率与负温差和面积成正比。（图片来源：PRBX）
高效的散热管理是我在上世纪90年代初就职于微电子公司Micro-Gisco时面临的挑战之一。当时我参与设计了一款100W的DC/DC转换器，其封装尺寸相当于现在一块砖头的四分之一大小，用于一种环境温度会直接影响结温的应用场景。那时，唯一可用的技术是厚膜技术，即将芯片键合到陶瓷基板上。在这样的应用中，确保有效冷却的唯一方法是使用连接到热交换器的底板。传导冷却和高效散热管理的重要性不言而喻，至今仍是每位电源设计人员关注的焦点。.
与此同时，随着移动通信的发展，对集成电源解决方案的需求日益增长，催生了所谓的“砖块式”电源模块，一场在更小尺寸内集成更大功率的竞赛也随之展开。功率的提升令人瞩目。例如，所谓的“四分之一砖块式”电源模块的功率密度显著提高。2000年3月，爱立信（EPM）的电源模块部门推出了当时最先进的100W四分之一砖块式DC/DC转换器——PKM 4000系列。二十年后，FLEX Power Module（于2017年收购了EPM）推出了1300W四分之一砖块式电源模块——BMR480（图01）。.
不到20年时间，功率输出提高了10倍以上，这是更高效的拓扑结构、数字控制、新型元件、厚铜多层印刷电路板、集成磁性以及非凡设计等多种因素共同作用的结果——但这还不是全部！——为了确保这些产品发挥全部性能，有效的散热至关重要。.
考虑到傅里叶定律
，过去20年来，电力电子工程师已将产品效率提升到很高的水平，我们都渴望达到99.99%的理想效率。但在此之前，我们必须控制功率损耗产生的热量。一个典型效率为97%的1000W DC/DC转换器需要耗散31W的功率[Pd = Pout x ((1-Ƞ) / Ƞ)]。考虑到电信或工业设备中55摄氏度的平均环境温度，需要有效的冷却措施来确保模块内部温度不超过制造商规定的安全限值，例如，在指定的测试点不超过105摄氏度。
傅里叶定律热传导公式（图片来源：PRBX）
我们都记得，1822年，法国医生约瑟夫·傅里叶（图02）证明，材料的热传递速率与负温度梯度和面积成正比。傅里叶热传导定律（图03）描述了从最低层级（例如半导体结与环境）开始的热交换原理。热阻是热导率的倒数。正如电阻与电导率相关一样，热阻也与热传导相关。实现尽可能低的热阻是所有电源设计人员面临的挑战，而这正是电子学与热力学的交汇点。.
图示为典型的散热片冷却式功率模块。正如电阻与电流传导相关一样，热阻与热传导相关。（图片来源：PRBX）
AC/DC 和 DC/DC 电源模块的制造工艺经过优化，旨在通过硅芯片到热交换表面（例如铝制底板）的传导冷却来散发热量。在大多数常见应用中，散热片放置在底板上，并通过气流进行冷却，从而将模块的热量带走（图 4）。在电信/数据通信应用中，机架内部循环 400 LFM（2 米/秒）的气流对于整个系统的冷却非常常见，但一些高功率密度系统可能需要高达两倍的气流（800 LFM（4 米/秒）），这会产生很大的噪音，并缩短冷却风扇和涡轮机的使用寿命。.
这是一个针对传导散热优化的导热平台示例，所有散热组件均连接到主板上。（图片来源：PRBX）
强制风冷是维持温度在安全范围内的最常用方法，但有些应用场景并不适用，而且人们也越来越关注其可靠性和可持续性。通常情况下，数据中心和其他高功率设备排出的空气会被排放到建筑物外，这意味着热量没有被转化为可用资源。此外，大多数需要空调系统的数据中心都会消耗大量能源，这也是一个主要问题。.
当强制风冷不可行时：
在许多应用中，使用主动通风既不可行也不被允许。在恶劣环境或可靠性要求极高的应用中，必须消除所有潜在故障风险，因此不允许使用风扇和排气扇。以下是一些示例。
工业机械，例如会产生烧焦颗粒、烟雾和蒸汽的激光切割设备，其控制和监控箱均采用密封设计，以防止污染和切割过程造成的损坏。为了给控制系统供电，电源被封装在一个密封箱内，这就需要将机箱通过传导散发的热量排出，或者将其安装在冷墙上。为了尽可能提高冷却效率，电源被设计成带有一个大型底板，所有散热组件都安装在该底板上（图 05）。
在对散热要求较高的应用中，可以在电源主板上添加液冷元件以辅助散热（图片来源：PRBX/SUNON）。
某些设备在运行过程中需要液冷来冷却关键部件，例如激光器或等离子切割炬。在这些应用中，电源受益于液体循环以及连接到冷却元件的底板（图 6）。
工业监控和安防设备可能安装在偏远地区，这些地区经常暴露在极端天气条件下，维护也可能面临挑战。在这些应用中，可靠性至关重要，系统设计人员必须消除所有潜在的故障原因。尽管风扇和排气扇的质量有了显著提高，但它们仍然容易发生机械故障，因此不适用于这些应用。同样，与之前的例子一样，冷却只能通过热传导到密封外壳外部以及被动式热交换器来实现。
静音为王：
为了员工的舒适和健康，人们越来越需要安装在主管室甚至办公室中的设备，这些设备必须完全静音或大幅降低噪音。
例如，开放式办公室的噪音水平有时会达到 60 到 65 分贝。与繁忙道路产生的 85 分贝噪音相比，这似乎很低，但它会影响需要高度集中注意力的工作效率，进而影响健康和安全。事实上，现在一些公司要求开放式办公室的噪音水平低于 55 分贝，并要求执行当地法规。
在这种情况下，从电脑到大型屏幕（例如空中交通管制或高速公路管制办公室使用的屏幕）等所有安装在房间内的设备的噪音水平都必须降至最低，并且禁止使用噪音大的强制通风冷却系统。在这种情况下，电源必须设计成无需通风即可运行，并采用冷却解决方案。
总之，
设计用于传导冷却的电源与设计利用高风量和广泛散热的电源相比，需要电源设计师采取截然不同的工作方式。传导冷却电源过去一直被视为小众产品，但新的环保法规可能很快会要求许多强制风冷应用转向更环保的传导冷却方案。
参考资料：
Powerbox (PRBX)：https://www.prbx.com/
M. Fourrier 的《热学分析理论》 - 1822 年 https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k1045508v.texteImage#
FLEX电源模块： https://flexpowermodules.com/
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