Термичен дизайн на FPGA платка

Дизайн на PCB разсейване на топлината на контролната платка на FPGA ядрото

През последните години, с миниатюризацията, интегрирането и модулирането на електронните продукти, плътността на инсталиране на електронните компоненти се увеличи и ефективната площ на разсейване на топлината намаля. Поради това термичният дизайн на електронните компоненти с висока мощност и разсейването на топлината на ниво платка на платките привлякоха вниманието на електронните инженери. Една от ключовите технологии за това дали системата за управление на FPGA може да работи нормално е разсейването на топлината на системата. Целта на термичния дизайн на печатни платки е да се вземат подходящи мерки и методи за намаляване на температурата на компонентите и платката на печатни платки, така че системата да може да работи нормално при подходяща температура. Въпреки че има много мерки за разсейване на топлината за PCB, е необходимо да се вземат предвид изискванията за разходите за разсейване на топлината и осъществимостта. В тази статия, чрез анализа на действителните проблеми с разсейването на топлината на основната контролна платка на FPGA, се извършва необходимият дизайн на разсейване на топлината за PCB на контролната платка на FPGA, така че контролната платка на FPGA да има добро разсейване на топлината при работа .

1. FPGA контролна платка и разсейване на топлината
Проектирайте контролна платка за FPGA ядро ​​за преподаване и научни изследвания, която се състои главно от основен контролен чип FPGA, плюс 3.3V и плюс 1.2V захранващи вериги, 50MHz тактова верига, верига за нулиране, JTAG и AS схема за интерфейс за изтегляне, SRAM памет и I/O Извеждане на интерфейса и други части. Основният контролен чип FPGA приема EP3C5E144C7 в QFP пакет от серия CycloneIII на Altera Company. Структурата на системата за контролна платка на ядрото FPGA е показана на фигура 1.

Фигура 1 Архитектура на системната платка за управление на ядрото на FPGA

Основните източници на топлина на печатната платка на контролната платка на FPGA ядрото са:

(1) Контролната платка изисква различни захранвания като плюс 5V, плюс 3,3V и плюс 1,2V. Захранващият модул произвежда много топлина, когато работи дълго време. Ако не се вземат ефективни мерки за охлаждане, захранващият модул ще се нагрее и няма да може да работи нормално.

(2) Тактовата честота на FPGA на контролната платка е 50MHz, а плътността на окабеляването на PCB е висока. С увеличаването на системната интеграция, системната консумация на енергия е сравнително висока и трябва да се вземат необходимите мерки за разсейване на топлината за FPGA чипа.

(3) Самият субстрат на печатната платка генерира топлина, а медният проводник е един от основните формовъчни материали на печатната платка. Съпротивлението на самата корозионна линия с покритие от меден проводник се нагрява поради загубата на мощност на променливия ток.

Въз основа на горния анализ на източника на топлина на схемната система на контролната платка на ядрото на FPGA, е необходимо да се вземат необходимите мерки за разсейване на топлината на платката за управление на ядрото на FPGA, за да се подобри стабилността и надеждността на системата.

2. Дизайн на разсейване на топлината на PCB на контролната платка FPGA
2.1 Дизайн на захранващото охлаждане

Контролната платка на ядрото на FPGA е свързана към плюс 5v~b DC захранване, което е необходимо за осигуряване на ток от lA или повече. Захранващият модул избира LDO чипа LT1ll7, който преобразува плюс 5V DC захранване в плюс 3.3VVCCIO напрежение на порта и плюс 1.2VVCCINT напрежение на ядрото, изисквано от основния контролен чип EP3C5E144C7. LT1117 е опакован в малък SOT23 чип.

Чрез горния анализ може да се разбере, че са необходими два чипа LT1117 за проектиране на захранващата верига, за да отговарят на изискванията за захранване от плюс 3,3 V и плюс 1,2 V, изисквани от FPGA. Разсейването на топлината на захранващия модул се обработва, както следва по време на проектирането на печатни платки:

(1) Тъй като захранващите модули ще генерират определено количество топлина, когато работят дълго време, спазвайте определено разстояние, когато поставяте съседни захранващи модули. Ако разстоянието е твърде близко, то не е благоприятно за разсейване на топлината. Когато поставяте, задайте разстоянието между двата LDO чипа LT11l7 на 20 мм или повече.

(2) Извършете отделно медно покритие на мястото, където е поставен LDO чипът LT1117, което благоприятства разсейването на топлината от захранването.

(3) Ако е необходимо, добавете радиатор към LDO чипа, за да осигурите бързо разсейване на топлината на захранващия модул и да осигурите нормално захранване за FPGA чипа.

2.2 Разсейване на топлината чрез дизайн

Поставете няколко топлопроводими метализирани отвори в долната част и близо до компонентите, които генерират много топлина върху печатната платка. Разсейването на топлината е малък отвор, който прониква в печатната платка, а диаметърът е около 0.4 mm до 1 mm. . . Отворът не трябва да е твърде голям, а разстоянието между отворите трябва да бъде настроено на 1 mm до 1,2 mm. Преходните отвори проникват в печатната платка, така че топлината от предната страна на печатната платка бързо се предава към други слоеве за разсейване на топлината по задната страна на печатната платка, а компонентите на нагревателната повърхност се охлаждат бързо и могат ефективно да се увеличат площта на разсейване на топлината и намаляване на термичното съпротивление, увеличаване на мощността на плътността на платката.

2.3 Дизайн на разсейване на топлината на FPGA чип

Основният източник на топлина на FPGA чипа е динамичната консумация на енергия, като консумация на мощност на напрежението на ядрото и консумация на мощност на входно/изходно напрежение, консумация на енергия, генерирана от паметта, вътрешната логика и системата, и FPGA контрол на нейните функционални модули (като видео , аудио модули и т.н.) ще генерира енергия Следователно е необходимо да се разсейва топлината върху FPGA чипа, докато се генерира топлина. При проектирането на QFP пакета на FPGA чипа, към центъра на FPGA чипа се добавя медно фолио с размер 4,5 mm X 4,5 mm и се проектират определен брой подложки за разсейване на топлината и могат да се добавят и радиатори според спрямо действителните нужди.

2.4 Дизайн на медно разсейване на топлината

Медното покритие на печатни платки може не само да подобри способността за предотвратяване на смущения на веригата, но също така ефективно да насърчи разсейването на топлината на платката на печатни платки. Обикновено има два метода за медна облицовка при проектирането на печатни платки с помощта на софтуера AltiumDesignerSummer09, тоест медна облицовка с голяма площ и медна облицовка с форма на решетка. Недостатъкът на медното фолио с голяма площ е, че печатната платка ще генерира много топлина, когато работи дълго време, което прави медното фолио лесно да се разширява и пада. Следователно, като се има предвид доброто разсейване на топлината на PCB, медно фолио с форма на решетка се използва при проектирането на медна облицовка на PCB и решетката е свързана към заземителната мрежа на веригата, за да се подобри екраниращият ефект и ефективността на разсейване на топлината на система.

Дизайнът на разсейване на топлината на печатни платки е ключова връзка за осигуряване на стабилност и надеждност на платките на печатни платки, а изборът на метод за разсейване на топлината е основният фактор, който трябва да се вземе предвид. Проектирането и прилагането на специфични мерки за разсейване на топлината е основният проблем на разсейването на топлината на печатни платки. В тази статия, когато се проектира печатната платка на основната контролна платка на FPGA, анализът на източника на топлина на системата за управление на FPGA е отправната точка и според действителните изисквания за разсейване на топлината, захранващият модул на контролната платка на FPGA, FPGA контролният чип, отворите за разсейване на топлината и медното разсейване на топлината са проектирани. Методът за разсейване на топлината, възприет от платката за управление на FPGA, има характеристиките на практичност, ниска цена и лесна реализация.