Blog
Die Zukunft der Rechenzentren erfordert fortschrittliche Kühlung
Aktuelle Serveranwendungen wie KI und maschinelles Lernen sind sehr stromhungrig, und gleichzeitig möchten Rechenzentrumsmanager mehr Blades in ein Rack packen, um den verfügbaren Platz besser auszunutzen. Dies belastet das Stromversorgungsnetz, insbesondere die DC/DC-Wandler am Lastpunkt oder die Spannungsreglermodule (VRMs), die auf engstem Raum hohe Ströme verarbeiten. Als Reaktion darauf wurden VRMs entwickelt, die hocheffizient und eng mit der Endlast integriert sind. Ein Ansatz besteht darin, die VRM-Leistungsstufe als separates Modul zu gestalten, dessen vom Benutzer gewählter Controller an einer anderen Stelle platziert wird. Diese „integrierten Leistungsstufen“ nutzen den Platz sehr effizient und erreichen eine erstaunliche Leistungsdichte von etwa 150 W/cm3 oder höher aus Gehäusen mit einer Grundfläche von weniger als 1 cm². Obwohl jedoch Wirkungsgrade von weit über 90% erreicht werden, bedeutet dies immer noch, dass etwa 10 W Leistung abgeführt und vom Modul weggeleitet werden müssen.
Die Power Module Flex BMR510 und BMR511 Intelligente Stromversorgungsblöcke sind hervorragende Beispiele für den neuesten Stand der Technik mit Dauerstromstärken von 80 A (140 A Spitze), einem weiten Eingangsspannungsbereich von bis zu 15 V und einem einstellbaren Ausgang bis hinunter zu 0,5 V. Die Modelle BMR510 und BMR511 (Abbildung 1 links bzw. rechts) unterscheiden sich durch unterschiedliche Ansätze zur Kühlung: Der BMR510 wird von oben gekühlt und der BMR511 von unten. Beide sind mit LGA- oder optional mit Lötanschluss erhältlich.
Die Kühlalternativen
Der BMR510 ist so angeordnet, dass sich die wichtigsten wärmeerzeugenden Halbleiter auf einer Tochterplatine auf der Oberseite befinden, deren Halbleiteroberflächen koplanar sind, und dass eine Kühlplatte oder ein Kühlkörper einfach angebracht werden kann, normalerweise durch Festklemmen mit einem Wärmeleitpad. Ein kleiner Teil der Wärmeableitung erfolgt durch Leitung durch das Modul und seine Anschlüsse zur Hostplatine und ein anderer Teil durch Konvektion an die Umgebungsluft. Um dies zu berücksichtigen, bieten Flex Power Modules ein Derating-Diagramm, das die Kühlplattentemperatur und die Hostplatinentemperatur enthält und zeigt, dass die vollen 80 A mit 13,5 V Eingang bis zu 90 °C Kühlplatten-/60 °C Platinentemperatur gezogen werden können. Dies gilt mit einem isolierenden 0,5 mm großen Spaltpad und einer Wärmeleitfähigkeit von 3,5 W/mK. Der Top-Cooling-Ansatz eignet sich für Anwendungen, bei denen über der Hostplatine etwas Platz für eine Kühlplatte oder einen Kühlkörper mit Zwangs- oder Konvektionskühlluft ist, oder wenn die Hostplatine nur begrenzt in der Lage ist, Wärme über ihr Volumen und ihre Kupferflächen abzuleiten.
Der BMR511 hingegen ist für die Kühlung von der Unterseite ausgelegt, wobei die Wärme von den Halbleitern größtenteils durch das Modulsubstrat und durch die Anschlüsse zur Hostplatine geleitet wird. Die Oberseite des Moduls ist die flache Oberfläche der Hauptinduktivität und diese kann auch zum Anbringen eines Kühlkörpers oder einer kalten Wand zur zusätzlichen Kühlung verwendet werden. Da der Wärmewiderstand zur Hostplatine relativ hoch ist, wird der BMR511 üblicherweise mit etwas Luftstrom spezifiziert und kann seine volle Leistung von 80 A bei über 80 °C Umgebungstemperatur und einer Strömungsgeschwindigkeit von 4 m/s erreichen. Bei Verwendung einer Kühlplatte können die vollen 80 A bei 12 V Eingang und bis zu 90 °C Hostplatinen- und Kühlplattentemperatur erreicht werden. Dies gilt mit einem 1 mm großen Spaltpad und einer Wärmeleitfähigkeit von 8 W/mK. Die Bodenkühlung des BMR511 kommt zum Einsatz, wenn über dem Modul wenig oder kein Platz ist, Druckluft verfügbar ist und die Hostplatine so ausgelegt ist, dass sie Leistung über ihre Oberflächen ableitet.
