散热设计
本章介绍LQ50 M.2和LQ50 DUO M.2卡在系统集成设计中的散热方案、温度监测方式、PWM 风扇控制策略以及参考系统散热设计建议。
4.1. 概述
LQ50 M.2和LQ50 DUO M.2卡表面发热器件分布较集中，且不同器件高度存在差异。进行散热设计时，需要同时考虑芯片、LPDDR、供电器件及其他关键发热器件的热量传递路径，避免局部热点导致器件温度过高。
散热设计不应只依赖单一器件级散热器。用户应根据整机结构空间、环境温度、业务负载、风道条件、噪声目标和长期可靠性要求，选择合适的模组级或系统级散热方案，并在目标整机环境中完成温度验证。
4.2. 散热设计目标与关键约束
4.2.1. 适用产品与方案边界
本章内容同时面向 LQ50 M.2 和 LQ50 DUO M.2 的系统集成设计。需要注意的是，部分热参数、参考热阻和实测温度数据来自 LQ50 M.2 参考方案，主要用于散热器选型和系统热设计评估。LQ50 DUO M.2 由于包含两颗 M50 芯片，系统热耗、热源分布和结构适配方式可能不同，应结合实际整机结构独立验证。
| 表 4.1 散热方案适用性总览 散热方案 | LQ50 M.2 | LQ50 DUO M.2 | 典型依赖条件 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 预装散热器 | 支持 | 需按实物确认 | 模组上方和侧向风道 | 空间允许且需要主动散热 |
| 铜均热板 + 散热器 | 支持 | 可评估使用 | 导热界面材料和散热器 | 常规主动或半主动散热系统 |
| 定制散热马甲 | 支持 | 支持 | 风扇座和结构适配 | LQ50 M.2 紧凑主动散热 |
| 通用 M.2 散热器 | 可评估使用 | 可评估使用 | 尺寸、避让和供电 | 结构空间允许的通用方案 |
| 均热板与系统外壳导热 | 可评估使用 | 可评估使用 | 外壳导热面和装配压力 | 小型整机、半封闭结构 |
| 机箱风道与系统风扇 | 可评估使用 | 可评估使用 | 独立风道和系统风扇 | 空间较大的系统级主动散热 |
| 固态主动散热等新型方案 | 探索方向 | 探索方向 | 系统流阻和可靠性验证 | 小体积、低噪声、受限风道场景 |
4.2.2. 关键设计约束
系统散热设计应优先满足以下约束：
-
LQ50 M.2 含预装散热器总高度为 13.5 mm。
-
使用 LQ50 M.2 预装散热器时，模块上方应预留至少 5 mm 无障碍净空，以保证风扇进气。
-
使用 LQ50 M.2 预装散热器时，侧向出风口应预留至少 5 mm 排风间隙，进出风口严禁遮挡。
-
M50 芯片最大工作结温不应超过 105°C。
-
当温度超过 90°C 降频阈值时，系统会触发动态降频机制；当温度达到 105°C 重启阈值时，系统会触发重启保护。
-
若使用 M.2 板载风扇座子驱动风扇，应确认风扇电压、电流和控制方式满足 3.3 V 风扇带载要求。
-
若使用外部系统风扇，建议由 Host 根据芯片温度进行闭环调速控制。
-
对于无风扇或弱风道系统，应重点验证高温环境、长时间高负载和连续推理场景下的温度裕量。
图 4.1 LQ50 M.2 预装散热器空间要求示意图
4.2.3. 板卡应力约束
LQ50 M.2和LQ50 DUO M.2卡应力设计应关注以下要求：
-
按照行业标准，应满足应变 ≤ 450 με。
-
LQ50 M.2 和LQ50 DUO M.2在散热片与芯片之间使用厚度 0.2 mm 的相变片，散热片与芯片之间预留间隙为 0 ~ 0.05 mm。
-
不建议散热片或结构件直接挤压板卡。
针对应力导致的板卡形变，可采用以下策略：
-
散热芯片与散热器之间的导热界面材料需选用高压缩比材料，或使用厚度 0.2 mm 的相变片。使用 0.2 mm 相变片时，芯片与散热器之间的间隙建议设计为 0 ~ 0.05 mm。
-
散热器与 PCBA 的固定方式建议使用 PCBA 自带的 4-∅2.2 固定孔，或使用此 4-∅2.2 孔作为 PCBA 的支撑点。
-
可使用柔性方式固定散热器，例如弹簧螺钉。
-
如导热界面材料需要更大的压缩力，建议在 PCBA 背部中间无元器件的区域增加绝缘橡胶垫，用于支撑 PCBA，缓冲压力造成的 PCBA 形变。
-
以上策略可根据实际产品环境选择一种或多种使用，也可自行设计应对应力的方案。
4.3. 热源分布与热参数
4.3.1. LQ50 M.2 主要发热器件
LQ50 M.2 主要发热器件的位置如下图所示。
图 4.2 LQ50 M.2 主要发热器件示意图
各主要发热器件的功耗及热参数如下表所示。
| 表 4.2 LQ50 M.2 主要器件热参数与功耗信息 序号 | 器件 | 外观尺寸（mm） | 功耗（W） | θJC（°C/W） | θJB（°C/W） | Tjmax（°C） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 存储芯片 | 8 x 12.4 x 1.2 | 1 | 5.6 | 15.7 | 85（Tcmax） |
| 2 | 存储芯片 | 8 x 12.4 x 1.2 | 1 | 5.6 | 15.7 | 85（Tcmax） |
| 3 | M50 芯片 | 20 x 23.5 x 1.52 | 15 | 裸 Die 封装 | 4.1308 | 105 |
| 4 | 存储芯片 | 8 x 12.4 x 1.2 | 1 | 5.6 | 15.7 | 85（Tcmax） |
| 5 | 电感 | 4.2 x 4.4 x 1.5 | 0.2 | 125（Tcmax） | ||
| 6 | 电感 | 4.2 x 4.4 x 1.5 | 0.2 | 125（Tcmax） | ||
| 7 | 电感 | 4.2 x 4.4 x 1.2 | 0.2 | 125（Tcmax） |
相关热参数说明如下：
-
：芯片结到外壳热阻。 -
：芯片结到电路板热阻。 -
：芯片最大结温。 -
：芯片最大壳温。
上述功耗及热参数可作为 LQ50 M.2 散热器选型、导热界面材料选择和系统风道设计的参考。实际散热效果需结合目标整机结构、环境温度、连续运行时间和业务负载进行验证。
4.3.2. LQ50 DUO M.2 设计提示
LQ50 DUO M.2 包含两颗 M50 芯片。两颗芯片的温度和过温保护行为相互独立，在不同主频、不同业务负载或不同散热条件下，可能出现温度差异、异步降频或异步重启。
在 LQ50 DUO M.2 系统集成设计中，应分别监测两颗 M50 芯片的结温，并确保两颗芯片均满足热设计要求。若复用 LQ50 M.2 的散热方案或散热数据，应根据 DUO 的实际热源位置、功耗和结构空间重新评估。
4.4. 散热方案
散热方案选择应先判断整机约束，再选择具体结构。推荐按以下顺序进行：
-
确认整机可用高度、平面避让空间、进风口和出风口位置。
-
确认目标环境温度、连续运行时长、业务负载和允许噪声。
-
确认是否可使用 M.2 板载风扇座子，或是否需要外部风扇供电与控制。
-
确认主要发热器件到散热器、均热板或系统外壳之间是否存在连续、可靠、低热阻的导热路径。
-
在目标整机中进行温度验证，并根据温度裕量调整风扇策略、导热界面材料和结构压合方式。
常见散热方式包括：
-
模组级散热： 通过铜均热板将模组表面发热器件的热量均匀传递至散热器，再通过鳍片和风扇将热量带出。
-
系统级散热： 通过均热板、导热垫、导热块、系统外壳、机箱风道和系统风扇共同完成散热。
-
新型主动散热： 面向小体积、低噪声、紧凑型终端场景，可探索固态主动散热等新型散热方案。
用户应优先确保散热器与主要发热器件之间具备可靠、连续、低热阻的导热路径，并结合目标环境温度、整机风道和实际业务负载进行热测试。
4.4.1. 铜均热板与散热器组合方案
LQ50 M.2和LQ50 DUO M.2表面发热器件存在高度差，且主要发热器件较集中。为提高热量分布均匀性，建议使用与模组器件尺寸和热特性匹配的铜均热板。铜均热板内侧贴合模组发热器件表面，外侧形成较平整的导热面，可进一步连接散热器或系统级散热结构。
该方案可满足标准大气压下、持续60°C工作环境温度下长期稳定运行。
通常由以下部分组成：
-
铜均热板；
-
导热垫或其他导热界面材料；
-
散热器或散热马甲；
-
风扇或系统风道。
铜均热板用于降低局部热点，将芯片、LPDDR 及其他发热器件的热量扩散至更大的散热面积；散热器用于进一步将热量传递至空气中。
4.4.1.1. 参考热阻
在环境温度 60°C、M50 芯片功耗 15 W 的参考工况下，LQ50 M.2 采用均热板散热方案时的热阻参数如下表所示：
| 表 4.3 LQ50 M.2均热板散热方案参考热阻 热阻参数 | 数值（°C/W） | 备注 |
|---|---|---|
| 0.12 |  为均热板外表面 M50 芯片中心点垂直投影点温度。 |
 | 0.147 | |
 | 1.9 |
其中，相关热参数说明如下：
-
：M50 芯片结到外壳的热阻。
-
：M50 芯片外壳到均热板的热阻。
-
：M50 芯片结到环境的热阻。
-
：均热板外表面上与 M50 芯片中心对应的垂直投影点温度。
4.4.1.2. 参考压测性能
下表为LQ50 M.2在室温环境下，采用“铜均热板 + 散热器”方案进行30分钟压测的参考结果。该数据仅作为散热方案评估参考，不作为所有整机环境下的保证值。实际温度结果会受到环境温度、风道设计、散热器规格、导热材料、安装压力及业务负载影响。
| 表 4.4 LQ50 M.2铜均热板+散热器室温环温下30分钟压测参考性能 板卡功耗 | DDR最高温 | CORE最高温 |
|---|---|---|
| 双核压测 14.63W | 41.5°C | 41.5°C |
| 单核压测 12.68W | 38.2°C | 37.9°C |
| 卷积压测 22.76W | 56.6°C | 59.6°C |
用户应在目标整机环境中，按照实际业务模型、目标环境温度和连续运行时间进行热验证。
4.4.1.3. 铜均热板结构说明
铜均热板内侧用于贴合模组发热器件表面。设计时应保证铜均热板与主要发热器件之间具有良好的接触关系，并根据器件高度差选择合适厚度和硬度的导热界面材料。
图 4.3 铜均热板内侧示意图
铜均热板外侧建议作为散热器或系统导热结构的贴合面。该表面应尽量保持平整，以降低与散热器、导热垫或系统外壳之间的接触热阻。
图 4.4 铜均热板外侧示意图
铜均热板侧视结构如下图所示。
图 4.5 铜均热板侧视图
4.4.2. 通用 M.2 散热器
通用 M.2 散热器可根据结构空间和散热能力评估后用于 LQ50 M.2 或 LQ50 DUO M.2。通用散热器通常用于高性能 M.2 固态硬盘场景，部分型号集成风扇，需要额外提供 4pin 风扇供电。
使用通用 M.2 散热器前，应确认以下条件：
-
散热器尺寸和安装方式满足整机结构空间。
-
散热器不会与模组器件、连接器或外壳发生干涉。
-
风扇供电方式和控制方式满足系统设计要求。
-
整机进风、出风路径能够支撑散热器形成有效气流。
-
导热界面材料能够补偿器件高度差，并保持稳定装配压力。
例如，可参考利民 HR-10 2280 Pro 等高性能散热器方案。
4.4.3. 定制散热马甲
定制散热马甲适用于 LQ50 M.2和LQ50 DUO M.2，可根据结构空间和散热能力评估使用通用 M.2 散热器或系统级散热方案。
定制散热马甲通常采用铜底、铝鳍片和热管组合，并集成小型风扇。参考散热马甲规格为：铜底 + 铝鳍片 + 热管，2010 风扇，高度 10 mm。
图 4.6 散热马甲规格与结构示意图
散热马甲安装后的效果如下图所示。
图 4.7 散热马甲安装效果图
如果散热马甲风扇通过M.2模组供电，需要搭配焊接了风扇座的LQ50 M.2。若使用外部风扇或系统风扇，应根据风扇额定电压、电流和控制方式进行独立供电与控制设计。
4.4.3.1. 参考热阻
在环境温度 60°C、M50 芯片功耗 15 W 的参考工况下，LQ50 M.2 采用散热马甲散热方案时的热阻参数如下表所示：
| 表 4.5 LQ50 M.2散热马甲方案参考热阻 热阻参数 | 数值（°C/W） | 备注 |
|---|---|---|
| 0.127 | 为散热马甲外表面上与 M50 芯片中心对应的垂直投影点温度。 |
| 0.42 | |
| 2.293 |
其中，相关热参数说明如下：
-
：M50 芯片结到外壳的热阻。
-
：M50 芯片外壳到均热板的热阻。
-
：M50 芯片结到环境的热阻。
-
：散热马甲外表面上与 M50 芯片中心对应的垂直投影点温度。
4.4.4. M.2集成风扇散热方案
该方案使用带有M.2散热外壳的模组，风扇与M.2模组集成在一起，可直接通过M.2供电，无需额外4pin风扇供电。该方案结构紧凑，适用于空间受限且需要对关键芯片进行主动散热的系统。
图 4.8 M.2集成风扇散热方案示意图
该方案适用于空间受限、需要对关键芯片主动散热的系统，例如ASUS NUC 15 Pro，其外壳通常预留通风散热网，以配合模组风扇形成有效气流。
4.4.5. 均热板与系统外壳导热方案
该方案在LQ50 M.2模组上增加金属均热板，均热板下端通过导热介质贴合模组发热器件，上端形成平整导热面，并通过导热垫、导热胶或导热块连接至系统外壳内侧散热凸起，将热量传导至整机外壳。
系统外壳可通过以下方式进一步散热：
-
外壳表面自然散热；
-
外壳内部风扇主动散热；
-
系统风道被动带走热量。
参考外壳风扇规格为：直径 60 mm，高度 10 mm。
图 4.9 均热板与系统外壳导热方案示意图 此图仅为概念图，仅供参考
用户可联系后摩技术支持工程师获取参考系统推荐。
4.4.6. 机箱风道与风扇散热方案
在空间较大的系统中，可通过机箱风道、底壳风扇、散热鳍片、导热介质和导风罩构建系统级主动散热路径。此类方案通常适用于整机内部具备独立风道、外壳出风口和系统风扇安装空间的场景。
4.4.6.1. 底壳风扇与铜鳍片散热方案
该方案将散热风扇固定在底壳上，并与机箱内部两侧的纯铜散热鳍片模组分开放置。涡轮风扇从机身底部吸入冷空气后，经导风罩吹向散热鳍片。空气流经鳍片后从机身出风口排出，从而带走系统内部热量。例如，可参考ASUS NUC 15Pro+ 等紧凑型主机设计，通过底壳风扇、导风罩和机箱内部散热鳍片形成系统级主动风道。
图 4.10 底壳风扇与铜鳍片散热方案示意图
4.4.6.2. 散热鳍片、导热介质与风扇组合方案
该方案采用“散热鳍片 + 导热块/导热垫 + 风扇”的组合结构。散热鳍片下方可设计与模组贴合的凸台，凸台与发热器件之间通过导热垫或导热胶连接。为降低接触热阻，凸台与模组之间应保持良好贴合，建议贴合间隙小于0.2 mm。
散热鳍片上方可加装风扇，通过风扇气流将鳍片上的热量经外壳出风口带出。
图 4.11 散热鳍片、导热介质与风扇组合方案示意图 此图仅为概念图，仅供参考
用户可联系后摩技术支持工程师获取参考系统推荐。
对于 LQ50 DUO M.2，该方案可采用专用风冷散热器组件实现。该组件由风扇、铝制鳍片散热器、安装底座和连接线组成，不是单独的通用风扇。散热器组件安装在板卡上方，通过导热界面材料与主要发热芯片接触，并通过风扇气流将铝制鳍片上的热量带出。
LQ50 DUO M.2 散热组件示意图及设计图如下图所示。
图 4.12 LQ50 DUO M.2 散热组件正面
图 4.13 LQ50 DUO M.2 散热组件背面
图 4.14 LQ50 DUO M.2 散热组件尺寸
4.5. 新型散热方案探索
对于平板、超薄本、Mini PC、桌面消费级设备等紧凑型终端，传统微型离心风扇难以提供足够静压以克服系统流阻。当设备配置高密度防尘网或防水膜时，气流极易被完全阻隔，导致散热失效。为满足小体积、低噪声和高可靠性需求，可探索固态主动散热等新型散热方案。
传统微型离心风扇在紧凑型设备中可能存在以下限制：
-
静压不足： 当设备配置高密度防尘网或防水膜时，传统微型风扇难以提供足够静压克服系统流阻，可能导致气流受阻，影响散热效果。
-
噪声和振动明显： 为弥补散热能力不足，机械风扇常需工作在 10000RPM 以上的高转速区间，进而产生高频啸叫与轴承振动。
因此，在小体积、低噪声、桌面消费级场景中，可结合整机结构和热耗目标评估新型散热方案的导入可行性。
4.5.1. 固态主动散热方案
固态主动散热（Solid-State Active Cooling，SSAC）无旋转部件，可通过微观膜片振动或电场效应驱动气流。主流商业化方案可采用脉动射流冲击原理，通过高速气流直接冲击热源表面，破坏热边界层，从而提升对流换热效率。
固态主动散热的典型工作流程如下：
-
吸气： 超声频振动的内部膜片产生吸力，吸入冷空气。
-
换热： 气流直接冲击热源表面，破坏热边界层，提升对流换热效率。
-
排气： 受热空气以脉动射流形式高速排出。
图 4.15 固态主动散热工作原理示意图 此图仅为概念图，仅供参考
固态主动散热方案通常具备较高背压能力，有助于提升受限风道中的有效气流。对于带防尘网、防水膜、紧凑风道或半密闭结构的设备，该类方案可作为小体积、低噪声主动散热方案的探索方向。具体散热效果需结合整机结构、系统流阻和目标热耗进行验证。
| 表 4.6 固态主动散热方案参考对比 参数 | 传统笔记本风扇 | 涡轮风扇 | 固态主动散热器x1 | 固态主动散热器 x2 |
|---|---|---|---|---|
| 散热能力总功率 （温度85°C，环境温度25°C） | 10.75W | 60W | 7.5W | 15W |
| 最大噪音 （装置内，距离50cm） | 37dBA | 69dBA | 21dBA | 24dBA |
| 风扇本身功耗 | 1.5W | 3W | 1.2W | 2.4W |
| 背压 | 195 Pa | 1750 Pa | 1750 Pa | 1750 Pa |
| 尺寸/重量 | 75655mm / 46g | 963394mm / 180g | 41273mm / 8g | 41543mm / 16g |
| 防尘 | no | no | yes | yes |
固态主动散热方案属于新型散热方向，导入前应结合整机结构、风道阻抗、可靠性、量产可制造性和长期运行稳定性进行验证。
4.6. 温度监测与风扇控制
LQ50 M.2和LQ50 DUO M.2的热管理设计需要同时考虑温度监测、风扇控制和系统级保护策略。系统应根据关键发热器件温度动态调整风扇转速，避免低负载下散热过剩造成噪声和功耗浪费，也避免高负载下散热不足导致温度过高。
4.6.1. 温度监测方式
M50及卡上部分发热器件的结温信息可通过API或SMBUS读取。用户可根据系统设计选择不同温度监测方式：
-
通过SMBUS读取芯片温度，由Host控制外部散热器或系统风扇进行降温。
-
通过 API 读取温度信息，并结合用户自定义控制策略实现风扇调速。
-
使用 M.2 风扇座子输出的 PWM 控制信号驱动外部散热器风扇，实现基于后摩热管理策略的风扇调速。
需要注意：
-
M50及卡上发热器件结温信息可以通过 API 或 SMBUS 读取。
-
后摩热管理策略中用于控制冷却器件的 PWM 控制信号，不能通过 API 或 SMBUS 被外部读取访问。
-
PWM 信号仅通过板上的风扇4pin座子对外提供控制信号，且仅能带载3.3 V风扇，例如自研散热马甲风扇。
4.6.2. PWM 风扇控制策略
PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）风扇通过快速切换供电通断来调节风扇转速。系统可根据温度变化动态调整 PWM 占空比，实现不同温度区间下的风扇调速。
PWM 风扇控制具备以下优势：
-
精准调速： 根据温度动态调节转速，避免固定转速造成散热过剩或散热不足。
-
降噪节能： 低负载时降低风扇转速，减少噪声和功耗；高负载时提高转速，保障散热能力。
参考风扇控制策略如下表所示。
| 表 4.7 PWM 风扇控制参考策略 温度区间 | 风扇档位 | PWM 占空比 | 状态说明 |
|---|---|---|---|
| 0°C ~ 50°C | 0 | 0 | 风扇不动 |
| 50°C ~ 60°C | 0 ~ 3 | 0 32 64 96 | 微风 |
| 60°C ~ 70°C | 3 ~ 6 | 96 128 160 192 | 较大 |
| 70°C ~ 80°C | 6 ~ 8 | 192 224 255 | 较大到全速 |
| 80°C ~ 90°C | 8 | 255 | 全速 |
| 90°C ~ 105°C | 8 | 255 | 降频 |
= 105°C | NA | NA | 重启
该表为参考控制策略。用户在整机设计中应结合风扇规格、噪声目标、散热器能力、系统风道和业务负载进行调试。
4.6.3. 系统集成设计建议
用户在进行散热和风扇控制设计时，建议遵循以下原则：
-
优先保证主要发热器件至散热器或系统外壳之间的导热路径连续、可靠。
-
根据器件高度差选择合适的导热垫、导热胶或导热块，避免局部悬空或接触不良。
-
散热器、均热板和导热界面材料应具备稳定的装配压力，避免长期运行后热阻增大。
-
若使用 M.2 板载风扇座子驱动风扇，应确认风扇电压、电流和控制方式满足 3.3 V 风扇带载要求。
-
若使用外部系统风扇，建议由 Host 根据芯片温度进行闭环调速控制。
-
对于无风扇或弱风道系统，应重点验证高温环境、长时间高负载和连续推理场景下的温度裕量。
-
对于固态主动散热等新型方案，应在导入前完成系统流阻、噪声、可靠性和量产一致性验证。
参考热管理策略包括：
-
方案一： 通过 SMBUS 读取芯片温度，由 Host 控制外部散热器或系统风扇进行降温。
-
方案二： 通过 M.2 风扇座子驱动外部散热器风扇，实现基于后摩热管理策略的自动调速。该方案需要使用支持 3.3 V 驱动的风扇。