Изчерпателен преглед на термичния дизайн на FPGA

    За да работи всеки чип, той трябва да отговаря на определен температурен диапазон. Тази температура се отнася до температурата на силициевия чип, която обикновено се нарича температура на свързване.
FPGA на ALTERA е разделена на два типа: търговски клас (комерсиален) и индустриален клас (индустриален). Температурният диапазон на свързване на чипове от търговски клас, които могат да работят нормално, е 0~85 градуса по Целзий, докато диапазонът на чипове от промишлен клас е -40~100 градуса по Целзий. В действителната верига трябва да гарантираме, че температурата на свързване на чипа е в рамките на приемливия диапазон.

Тъй като консумацията на енергия на чипа се увеличава, по време на работа ще се генерира все повече топлина. Ако искате да поддържате температурата на свързване на чипа в нормалния диапазон, трябва да предприемете определени методи за бързо разсейване на топлината, генерирана от чипа, в околната среда.
Всеки, който е учил физика в средното училище, знае, че има три основни метода за пренос на топлина, а именно проводимост, конвекция и излъчване, и тези методи се използват и от чиповете за разсейване на топлината навън.
Фигурата по-долу показва опростен модел на разсейване на топлината на чипа. Топлината, генерирана от чипа на фигурата, се предава главно към външната опаковка на чипа. Ако няма прикрепен радиатор, той ще бъде директно разсеян от обвивката на пакета на чипа в околната среда; ако се добави радиатор, топлината ще се предава от външната опаковка на чипа през лепилото за радиатор. към радиатора и след това към околната среда през радиатора. Най-общо казано, повърхността на радиатора е направена доста голяма и контактната повърхност с въздуха е голяма, което е благоприятно за пренос на топлина. В обичайната практика е установено, че повечето от радиаторите са черни, тъй като черните обекти лесно излъчват топлина навън, което също благоприятства разсейването на топлината навън. И колкото по-бърза е скоростта на вятъра на повърхността на радиатора, толкова по-добро е разсейването на топлината.

Опростен модел на топлинния поток на чипа
В допълнение, малко количество топлина се отвежда към топките за запояване на чипа през субстрата на чипа и след това разсейва топлината в околната среда през печатната платка. Тъй като делът на тази част от топлината е относително малък, тази част се игнорира, когато се обсъжда топлинното съпротивление на пакета на чипа и радиатора по-долу.

На първо място, трябва да разберем понятието "термично съпротивление". Термичното съпротивление описва способността на даден обект да провежда топлина. Колкото по-малко е термичното съпротивление, толкова по-добра е топлопроводимостта и обратно. Това е донякъде подобно на концепцията за съпротива.

От термичното съпротивление на силициевия чип на чипа към околната среда, като се приеме, че цялата топлина накрая се разсейва в околната среда от радиатора, може да се получи прост модел на термично съпротивление, както е показано на фигурата по-долу:

Модел за охлаждане на чипове с радиатор
Общото термично съпротивление от матрицата до околната среда се нарича JA, така че удовлетворява:
JA=JC плюс CS плюс SA
JC се отнася до термичното съпротивление от чипа до външната опаковка, което обикновено се предоставя от доставчика на чипа; CS се отнася до термичното съпротивление от външната опаковка на чипа до радиатора. Ако радиаторът е прикрепен към повърхността на чипа с топлопроводимо лепило, това термично съпротивление трябва да ръководи термичното лепило. Термичната устойчивост обикновено се осигурява от доставчика на топлопроводимо лепило; SA се отнася до термичното съпротивление от радиатора към околната среда, което обикновено се дава от производителя на радиатора. Това топлинно съпротивление намалява с увеличаване на скоростта на вятъра и производителят обикновено ще даде стойностите на топлинно съпротивление при различни скорости на вятъра.
Самият пакет на чипа действа като радиатор. Ако чипът няма радиатор, JA е термичното съпротивление на силициевия чип спрямо околната среда след опаковане. Тази стойност очевидно е по-голяма от стойността на JA с радиатор. Тази стойност зависи от характеристиките на опаковката на самия чип и обикновено се предоставя от производителя на чипа.
Фигурата по-долу показва термичното съпротивление на пакета за устройството STRATIX IV на ALTERA. Той дава стойността на JA на чипа при различни скорости на вятъра и тези стойности могат да се използват за изчисляване на ситуацията без радиатор. В допълнение, JC се използва за изчисляване на общата стойност на JA с радиатор.

Термично съпротивление на пакетите устройства Stratix iv
Ако приемем, че мощността, консумирана от силициевия чип, е P, тогава:
TJ (температура на преход)=TA плюс P*JA
Необходимо е да се увери, че TJ не може да надвишава максималната температура на свързване, разрешена от чипа, и след това да се изчисли максимално допустимото изискване за JA според температурата на околната среда и действителната мощност, консумирана от чипа.
JMax=(TJMax - TA)/P TA(околна температура)
Ако JA на самия пакет на чипа е по-голям от тази стойност, е необходимо да се обмисли добавянето на подходящо устройство за разсейване на топлината към чипа, за да се намали ефективната стойност на JA от чипа към околната среда и да се предотврати прегряването на чипа.
В действителна система част от топлината ще се разсее и от печатната платка. Ако PCB има много слоеве и голяма площ, това също е много благоприятно за разсейване на топлината.