Disseny tèrmic de la placa de circuits FPGA
Disseny de dissipació de calor de PCB de la placa de control del nucli FPGA
En els últims anys, amb la miniaturització, integració i modularització de productes electrònics, la densitat d'instal·lació dels components electrònics ha augmentat i l'àrea efectiva de dissipació de calor ha disminuït. Per tant, el disseny tèrmic de components electrònics d'alta potència i la dissipació de calor a nivell de plaques de circuits han cridat l'atenció dels enginyers electrònics. Una de les tecnologies clau per saber si el sistema de control FPGA pot funcionar amb normalitat és la dissipació de calor del sistema. L'objectiu del disseny tèrmic de PCB és prendre les mesures i mètodes adequats per reduir la temperatura dels components i la placa de PCB, de manera que el sistema pugui funcionar normalment a una temperatura adequada. Tot i que hi ha moltes mesures de dissipació de calor per a PCB, cal tenir en compte els requisits del cost de la dissipació de calor i la viabilitat. En aquest article, mitjançant l'anàlisi dels problemes reals de dissipació de calor de la placa de control del nucli FPGA, es realitza el disseny de dissipació de calor necessari per a la PCB de la placa de control FPGA, de manera que la placa de control FPGA tingui un bon rendiment de dissipació de calor quan es treballa .
1. Placa de control FPGA i dissipació de calor
Dissenyeu una placa de control bàsica FPGA per a aplicacions d'ensenyament i investigació científica, que es compon principalment de xip de control principal FPGA, més circuits d'alimentació de 3,3 V i més 1,2 V, circuit de rellotge de 50 MHz, circuit de reinici, circuit d'interfície de descàrrega JTAG i AS, memòria SRAM i E/S que lideren la interfície i altres parts. El xip de control principal FPGA adopta EP3C5E144C7 al paquet QFP de la sèrie CycloneIII d'Altera Company. L'estructura del sistema de placa de control central FPGA es mostra a la figura 1.
Figura 1 Arquitectura del sistema de la placa de control del nucli FPGA
Les principals fonts de calor a la PCB de la placa de control del nucli FPGA són:
(1) La placa de control requereix diverses fonts d'alimentació, com ara més 5V, més 3,3V i més 1,2V. El mòdul d'alimentació produeix molta calor quan funciona durant molt de temps. Si no es prenen mesures de refrigeració efectives, el mòdul d'alimentació s'escalfarà i no funcionarà amb normalitat.
(2) La freqüència de rellotge FPGA de la placa de control és de 50 MHz i la densitat de cablejat de PCB és alta. Amb l'augment de la integració del sistema, el consum d'energia del sistema és relativament alt i s'han de prendre les mesures necessàries de dissipació de calor per al xip FPGA.
(3) El propi substrat del PCB genera calor i el conductor de coure és un dels materials bàsics de modelat del PCB. La resistència de la pròpia línia de corrosió recoberta de conductor de coure s'escalfa a causa de la pèrdua de potència de corrent altern.
A partir de l'anàlisi anterior de la font de calor del sistema de circuits de la placa de control del nucli FPGA, cal prendre les mesures necessàries de dissipació de calor per a la placa de control del nucli FPGA per millorar l'estabilitat i la fiabilitat del sistema.
2. Disseny de dissipació de calor de PCB de la placa de control FPGA
2.1 Disseny de refrigeració elèctrica
La placa de control del nucli FPGA està connectada a una font d'alimentació de CC més de 5v ~ b, que es requereix per proporcionar un corrent de lA o superior. El mòdul d'alimentació tria el xip LDO LT1ll7, que converteix la font d'alimentació de més 5V DC en la tensió del port més 3.3VVCCIO i més la tensió del nucli 1.2VVCCINT requerida pel xip de control principal EP3C5E144C7. El LT1117 està empaquetat en un petit xip SOT23.
Mitjançant l'anàlisi anterior, es pot saber que es necessiten dos xips LT1117 per dissenyar el circuit d'alimentació per satisfer els requisits d'alimentació de més 3,3 V i més 1,2 V requerits per la FPGA. La dissipació de calor del mòdul d'alimentació es gestiona de la següent manera durant el disseny de PCB:
(1) Atès que els mòduls d'alimentació generaran una certa quantitat de calor quan funcionin durant molt de temps, mantingueu una certa distància quan disposeu els mòduls d'alimentació adjacents. Si la distància és massa propera, no és propici per a la dissipació de calor. Quan us poseu, configureu la distància entre els dos xips LDO LT11l7 a 20 mm o més.
(2) Realitzeu un tractament de recobriment de coure separat a la posició on es col·loca el xip LDO LT1117, que afavoreix la dissipació de calor de la font d'alimentació.
(3) Si cal, afegiu un dissipador de calor al xip LDO per garantir una ràpida dissipació de calor del mòdul d'alimentació i proporcionar una font d'alimentació normal per al xip FPGA.
2.2 Dissipació de calor mitjançant el disseny
Col·loqueu algunes vies metal·litzades conductores de calor a la part inferior i prop dels components que generen molta calor al PCB. La dissipació de calor a través d'un petit forat que penetra a la PCB i el diàmetre és d'aproximadament 0,4 mm a 1 mm. . . L'obertura no ha de ser massa gran i la distància entre les vies s'ha d'establir entre 1 mm i 1,2 mm. Els forats de via penetren a la placa de circuit imprès, de manera que la calor a la part davantera de la placa impresa es transmet ràpidament a altres capes de dissipació de calor al llarg de la part posterior de la PCB, i els components de la superfície de calefacció es refreden ràpidament i poden augmentar eficaçment. l'àrea de dissipació de calor i reduir la resistència tèrmica, augmentant la potència de la densitat de la placa de circuit.
2.3 Disseny de dissipació de calor del xip FPGA
La font principal de calor del xip FPGA és el consum d'energia dinàmic, com ara el consum d'energia de tensió central i el consum d'energia de voltatge d'E/S, el consum d'energia generat per la memòria, la lògica interna i el sistema i el control FPGA dels seus mòduls funcionals (com el vídeo , mòduls d'àudio, etc.) generaran energia Per tant, cal dissipar la calor al xip FPGA a mesura que es genera calor. Quan es dissenya el paquet QFP del xip FPGA, s'afegeix una làmina de coure amb una mida de 4,5 mmX4,5 mm al centre del xip FPGA i es dissenyen un cert nombre de coixinets de dissipació de calor i també es poden afegir dissipadors de calor segons a necessitats reals.
2.4 Disseny de dissipació de calor de coure
El recobriment de coure PCB no només pot millorar la capacitat anti-interferència del circuit, sinó que també promou eficaçment la dissipació de calor de la placa PCB. En general, hi ha dos mètodes de revestiment de coure en el disseny de PCB mitjançant el programari AltiumDesignerSummer09, és a dir, revestiment de coure de gran superfície i revestiment de coure en forma de quadrícula. L'inconvenient de la làmina de coure de gran superfície és que la placa PCB generarà molta calor quan funcioni durant molt de temps, cosa que fa que la làmina de coure sigui fàcil d'expandir i caure. Per tant, tenint en compte el bon rendiment de dissipació de calor del PCB, s'utilitza una làmina de coure en forma de quadrícula en el disseny del revestiment de coure del PCB, i la xarxa està connectada a la xarxa de terra del circuit per millorar l'efecte de blindatge i el rendiment de dissipació de calor del circuit. sistema.
El disseny de dissipació de calor de PCB és un enllaç clau per garantir l'estabilitat i la fiabilitat de les plaques de PCB, i l'elecció del mètode de dissipació de calor és el factor principal a considerar. El disseny i l'aplicació de mesures específiques de dissipació de calor és el tema central de la dissipació de calor de PCB. En aquest document, quan es dissenya la PCB de la placa de control del nucli FPGA, l'anàlisi de la font de calor del sistema de control FPGA és el punt de partida i, segons els requisits reals de dissipació de calor, el mòdul d'alimentació de la placa de control FPGA, el Es dissenyen el xip de control FPGA, les vies de dissipació de calor i la dissipació de calor de coure. El mètode de dissipació de calor adoptat per la placa de control FPGA té les característiques de viabilitat, baix cost i fàcil realització.
