Progettazione termica del circuito FPGA

Progettazione della dissipazione del calore PCB della scheda di controllo core FPGA

Negli ultimi anni, con la miniaturizzazione, l'integrazione e la modularizzazione dei prodotti elettronici, la densità di installazione dei componenti elettronici è aumentata e l'area effettiva di dissipazione del calore è diminuita. Pertanto, la progettazione termica dei componenti elettronici ad alta potenza e la dissipazione del calore a livello di scheda dei circuiti stampati hanno attirato l'attenzione degli ingegneri elettronici. Una delle tecnologie chiave per verificare se il sistema di controllo FPGA può funzionare normalmente è la dissipazione del calore del sistema. Lo scopo della progettazione termica del PCB è adottare misure e metodi appropriati per ridurre la temperatura dei componenti e della scheda PCB, in modo che il sistema possa funzionare normalmente a una temperatura adeguata. Sebbene esistano molte misure di dissipazione del calore per i PCB, è necessario considerare i requisiti di costo e fattibilità della dissipazione del calore. In questo documento, attraverso l'analisi degli effettivi problemi di dissipazione del calore della scheda di controllo principale FPGA, viene eseguito il necessario progetto di dissipazione del calore per il PCB della scheda di controllo FPGA, in modo che la scheda di controllo FPGA abbia buone prestazioni di dissipazione del calore durante il funzionamento .

1. Scheda di controllo FPGA e dissipazione del calore
Progetta una scheda di controllo core FPGA per applicazioni di insegnamento e ricerca scientifica, composta principalmente da chip di controllo principale FPGA, più circuiti di alimentazione da 3,3 V e più 1,2 V, circuito di clock da 50 MHz, circuito di ripristino, circuito di interfaccia di download JTAG e AS, memoria SRAM e I/O che conducono all'interfaccia e ad altre parti. Il chip di controllo principale FPGA adotta EP3C5E144C7 nel pacchetto QFP della serie CycloneIII di Altera Company. La struttura del sistema della scheda di controllo principale dell'FPGA è mostrata nella Figura 1.

Figura 1 Architettura del sistema della scheda di controllo principale FPGA

Le principali fonti di calore sul PCB della scheda di controllo principale dell'FPGA sono:

(1) La scheda di controllo richiede vari alimentatori come più 5 V, più 3,3 V e più 1,2 V. Il modulo di alimentazione produce molto calore quando funziona a lungo. Se non vengono adottate misure di raffreddamento efficaci, il modulo di alimentazione si surriscalda e non può funzionare normalmente.

(2) La frequenza di clock FPGA della scheda di controllo è 50 MHz e la densità del cablaggio PCB è elevata. Con l'aumento dell'integrazione del sistema, il consumo energetico del sistema è relativamente elevato e devono essere adottate le necessarie misure di dissipazione del calore per il chip FPGA.

(3) Il substrato del PCB stesso genera calore e il conduttore in rame è uno dei materiali di stampaggio di base del PCB. La resistenza stessa della linea di corrosione rivestita con conduttore in rame si riscalda a causa della perdita di corrente alternata.

Sulla base dell'analisi di cui sopra della fonte di calore del sistema circuitale della scheda di controllo principale dell'FPGA, è necessario adottare le misure necessarie per la dissipazione del calore affinché la scheda di controllo principale dell'FPGA possa migliorare la stabilità e l'affidabilità del sistema.

2. Progettazione della dissipazione del calore PCB della scheda di controllo FPGA
2.1 Progettazione del raffreddamento di potenza

La scheda di controllo core FPGA è collegata a un alimentatore CC più 5 V ~ b, necessario per fornire una corrente pari o superiore a lA. Il modulo di alimentazione sceglie il chip LDO LT1ll7, che converte l'alimentazione di più 5 V CC nella tensione della porta più 3,3 VVCCIO e nella tensione del core più 1,2 VVCCINT richiesta dal chip di controllo principale EP3C5E144C7. L'LT1117 è racchiuso in un piccolo chip SOT23.

Dall'analisi di cui sopra si può sapere che sono necessari due chip LT1117 per progettare il circuito di alimentazione in modo da soddisfare i requisiti di alimentazione di più 3,3 V e più 1,2 V richiesti dall'FPGA. La dissipazione del calore del modulo di potenza viene gestita come segue durante la progettazione del PCB:

(1) Poiché i moduli di potenza generano una certa quantità di calore quando funzionano per un lungo periodo, mantenere una certa distanza quando si dispongono i moduli di potenza adiacenti. Se la distanza è troppo ravvicinata, non favorisce la dissipazione del calore. Durante la disposizione, impostare la distanza tra i due chip LDO LT11l7 su 20 mm o più.

(2) Eseguire un trattamento di rivestimento in rame separato sulla posizione in cui è posizionato il chip LDO LT1117, che favorisce la dissipazione del calore dell'alimentatore.

(3) Se necessario, aggiungere un dissipatore di calore al chip LDO per garantire una rapida dissipazione del calore del modulo di alimentazione e fornire un'alimentazione normale al chip FPGA.

2.2 Dissipazione del calore tramite progettazione

Posiziona dei passaggi metallizzati conduttori di calore sul fondo e vicino ai componenti che generano molto calore sul PCB. La via di dissipazione del calore è un piccolo foro che penetra nel PCB e il diametro è compreso tra 0,4 mm e 1 mm. . . L'apertura non deve essere troppo grande e la distanza tra le vie deve essere impostata tra 1 mm e 1,2 mm. I fori passanti penetrano nel circuito stampato, in modo che il calore sulla parte anteriore del circuito stampato venga rapidamente trasmesso ad altri strati di dissipazione del calore lungo la parte posteriore del PCB e i componenti sulla superficie riscaldante si raffreddino rapidamente e possano aumentare efficacemente l'area di dissipazione del calore e ridurre la resistenza termica, aumentando la potenza della densità del circuito.

2.3 Progettazione della dissipazione del calore del chip FPGA

La principale fonte di calore del chip FPGA è il consumo energetico dinamico, come il consumo energetico della tensione core e il consumo energetico della tensione I/O, il consumo energetico generato dalla memoria, dalla logica interna e dal sistema, e il controllo FPGA dei suoi moduli funzionali (come il video , moduli audio, ecc.) genereranno energia. Pertanto, è necessario dissipare il calore sul chip FPGA man mano che viene generato calore. Quando si progetta il pacchetto QFP del chip FPGA, viene aggiunta una lamina di rame con una dimensione di 4,5 mm x 4,5 mm al centro del chip FPGA e viene progettato un certo numero di cuscinetti di dissipazione del calore e possono essere aggiunti anche dissipatori di calore in base ai bisogni effettivi.

2.4 Progettazione della dissipazione del calore in rame

Il rivestimento in rame del PCB non solo può migliorare la capacità anti-interferenza del circuito, ma promuove anche efficacemente la dissipazione del calore della scheda PCB. Esistono generalmente due metodi di rivestimento in rame nella progettazione PCB utilizzando il software AltiumDesignerSummer09, ovvero rivestimento in rame su ampia area e rivestimento in rame a forma di griglia. Lo svantaggio della striscia di foglio di rame di ampia area è che la scheda PCB genera molto calore quando funziona per un lungo periodo, il che rende facile l'espansione e la caduta della striscia di rame. Pertanto, considerando le buone prestazioni di dissipazione del calore del PCB, nella progettazione del rivestimento in rame del PCB viene utilizzata una lamina di rame a forma di griglia e la griglia è collegata alla rete di messa a terra del circuito per migliorare l'effetto schermante e le prestazioni di dissipazione del calore del PCB. sistema.

La progettazione della dissipazione del calore del PCB è un collegamento chiave per garantire la stabilità e l'affidabilità delle schede PCB e la scelta del metodo di dissipazione del calore è il fattore principale da considerare. La progettazione e l'applicazione di misure specifiche di dissipazione del calore rappresentano la questione centrale della dissipazione del calore del PCB. In questo documento, quando si progetta il PCB della scheda di controllo principale dell'FPGA, l'analisi della fonte di calore del sistema di controllo dell'FPGA è il punto di partenza e, in base ai requisiti effettivi di dissipazione del calore, il modulo di potenza della scheda di controllo dell'FPGA, il Sono progettati il ​​chip di controllo FPGA, i canali di dissipazione del calore e la dissipazione del calore in rame. Il metodo di dissipazione del calore adottato dalla scheda di controllo FPGA ha le caratteristiche di praticabilità, basso costo e facile realizzazione.