Тепловий дизайн схемної плати FPGA

Конструкція розсіювання тепла друкованої плати основної плати керування FPGA

В останні роки з мініатюризацією, інтеграцією та модульністю електронних виробів щільність установки електронних компонентів зросла, а ефективна площа розсіювання тепла зменшилася. Тому теплова конструкція потужних електронних компонентів і розсіювання тепла друкованих плат на рівні плати привернули увагу інженерів-електронників. Однією з ключових технологій того, чи може система керування FPGA нормально працювати, є тепловіддача системи. Метою теплового проектування друкованої плати є вжиття відповідних заходів і методів для зниження температури компонентів і плати друкованої плати, щоб система могла нормально працювати при відповідній температурі. Хоча існує багато заходів щодо розсіювання тепла для друкованих плат, необхідно враховувати вимоги до вартості розсіювання тепла та практичності. У цьому документі, шляхом аналізу фактичних проблем розсіювання тепла основної плати керування FPGA, виконується необхідний проект розсіювання тепла для друкованої плати плати керування FPGA, щоб плата керування FPGA мала хороші характеристики розсіювання тепла під час роботи .

1. Плата керування FPGA та розсіювання тепла
Створіть основну плату керування FPGA для навчання та наукових досліджень, яка в основному складається з основної мікросхеми керування FPGA, ланцюгів живлення +3.3V і +1.2V, схеми синхронізації 50 МГц, схеми скидання, JTAG і схема інтерфейсу завантаження AS, пам'ять SRAM і введення/виведення Виведення інтерфейсу та інших частин. Основна мікросхема керування FPGA використовує EP3C5E144C7 у пакеті QFP серії CycloneIII компанії Altera. Структура системи плати керування ядра FPGA показана на малюнку 1.

Рисунок 1 Архітектура системи плати керування ядра FPGA

Основними джерелами тепла на друкованій платі плати керування FPGA є:

(1) Платі керування потрібні різні джерела живлення, наприклад +5V, +3.3V та +1.2V. Силовий модуль при тривалій роботі виділяє багато тепла. Якщо не вжити ефективних заходів для охолодження, модуль живлення нагріється і не зможе нормально працювати.

(2) Тактова частота FPGA плати керування становить 50 МГц, а щільність проводки друкованої плати висока. Зі збільшенням системної інтеграції енергоспоживання системи є відносно високим, і необхідно вжити необхідних заходів для розсіювання тепла для мікросхеми FPGA.

(3) Сама підкладка друкованої плати виділяє тепло, а мідний провідник є одним із основних матеріалів для формування друкованої плати. Опір самої корозійної лінії, покритої мідним провідником, нагрівається через втрату потужності змінного струму.

Виходячи з наведеного вище аналізу джерела тепла схемної системи плати керування ядром FPGA, необхідно вжити необхідних заходів щодо розсіювання тепла для плати керування ядром FPGA, щоб підвищити стабільність і надійність системи.

2. Конструкція розсіювання тепла друкованої плати плати керування FPGA
2.1 Конструкція силового охолодження

Контрольна плата ядра FPGA під’єднана до +5v~b джерела постійного струму, який потрібен для забезпечення струму lA або вище. Модуль живлення вибирає мікросхему LDO LT1ll7, яка перетворює джерело живлення +5В постійного струму в напругу порту +3.3VVCCIO та напругу ядра +1.2VVCCINT, необхідні головній мікросхемі керування EP3C5E144C7. LT1117 упакований у маленьку мікросхему SOT23.

Завдяки наведеному вище аналізу можна дізнатися, що для розробки схеми живлення, яка відповідає вимогам джерела живлення +3.3V і +1.2V, які вимагає FPGA, потрібні дві мікросхеми LT1117. Розсіювання тепла модуля живлення обробляється таким чином під час проектування друкованої плати:

(1) Оскільки силові модулі будуть виділяти певну кількість тепла, коли вони працюють протягом тривалого часу, дотримуйтесь певної відстані, розміщуючи сусідні силові модулі. Якщо відстань занадто мала, це не сприяє розсіюванню тепла. Під час компонування встановіть відстань між двома мікросхемами LDO LT11l7 на 20 мм або більше.

(2) Виконайте окрему обробку мідним покриттям на місці розміщення мікросхеми LDO LT1117, що сприяє розсіюванню тепла джерела живлення.

(3) Якщо необхідно, додайте радіатор до мікросхеми LDO, щоб забезпечити швидке розсіювання тепла модуля живлення та забезпечити нормальне живлення для мікросхеми FPGA.

2.2 Розсіювання тепла за допомогою конструкції

Розмістіть кілька теплопровідних металізованих отворів у нижній частині та поблизу компонентів, які виділяють багато тепла на друкованій платі. Розсіювач тепла через невеликий отвір, який проникає в друковану плату, і має діаметр приблизно від 0.4 мм до 1 мм. . . Діафрагма не повинна бути занадто великою, а відстань між отворами має становити від 1 мм до 1,2 мм. Наскрізні отвори проникають у друковану плату, так що тепло на передній частині друкованої плати швидко передається до інших шарів розсіювання тепла вздовж задньої сторони друкованої плати, а компоненти на поверхні нагріву швидко охолоджуються та можуть ефективно збільшуватися площа розсіювання тепла та зменшення теплового опору, збільшуючи потужність щільності друкованої плати.

2.3 Конструкція розсіювання тепла мікросхеми FPGA

Основним джерелом тепла мікросхеми FPGA є динамічне енергоспоживання, таке як енергоспоживання напруги ядра та енергоспоживання напруги вводу/виводу, споживання енергії пам’яттю, внутрішньою логікою та системою, а також керування FPGA її функціональними модулями (такими як відео , аудіомодулі тощо) генеруватиме електроенергію. Тому необхідно розсіювати тепло на мікросхемі FPGA у міру утворення тепла. Під час проектування корпусу QFP мікросхеми FPGA до центру мікросхеми FPGA додається мідна фольга розміром 4,5 мм X 4,5 мм, а також розроблена певна кількість прокладок для розсіювання тепла, а також радіатори можуть бути додані відповідно до на реальні потреби.

2.4 Конструкція мідного тепловідводу

Мідне покриття друкованої плати може не тільки покращити захист від перешкод схеми, але й ефективно сприяти розсіюванню тепла друкованої плати. Загалом існує два методи мідного покриття для проектування друкованих плат за допомогою програмного забезпечення AltiumDesignerSummer09, тобто мідне покриття великої площі та мідне покриття у формі сітки. Недоліком смуги мідної фольги великої площі є те, що друкована плата виділяє багато тепла, коли вона працює протягом тривалого часу, що робить смугу мідної фольги легкою для розширення та падіння. Таким чином, враховуючи хороші показники розсіювання тепла друкованої плати, у дизайні мідної оболонки друкованої плати використовується мідна фольга у формі сітки, а сітка підключена до мережі заземлення схеми для покращення ефекту екранування та ефективності розсіювання тепла. система.

Конструкція розсіювання тепла друкованої плати є ключовою ланкою для забезпечення стабільності та надійності плат друкованої плати, а вибір методу розсіювання тепла є основним фактором, який слід враховувати. Розробка та застосування спеціальних заходів розсіювання тепла є основним питанням розсіювання тепла друкованих плат. У цій статті під час проектування друкованої плати основної плати керування FPGA аналіз джерела тепла системи керування FPGA є відправною точкою, і відповідно до фактичних вимог до розсіювання тепла, модуль живлення плати керування FPGA, Розроблено чіп керування FPGA, отвори для розсіювання тепла та мідний розсіювач тепла. Метод розсіювання тепла, прийнятий платою керування FPGA, має характеристики практичності, низької вартості та простоти реалізації.