Tepelný návrh obvodové desky FPGA

Návrh odvodu tepla PCB řídicí desky jádra FPGA

V posledních letech se s miniaturizací, integrací a modularizací elektronických produktů zvýšila hustota instalací elektronických součástek a zmenšila se efektivní plocha pro odvod tepla. Proto tepelný design vysoce výkonných elektronických součástek a rozptyl tepla desek plošných spojů přitáhl pozornost elektronických inženýrů. Jednou z klíčových technologií, zda může řídicí systém FPGA fungovat normálně, je odvod tepla systému. Účelem tepelného návrhu PCB je přijmout vhodná opatření a metody ke snížení teploty součástek a desky PCB tak, aby systém mohl normálně pracovat při vhodné teplotě. Ačkoli existuje mnoho opatření pro odvod tepla pro PCB, je nutné vzít v úvahu požadavky na náklady na odvod tepla a proveditelnost. V tomto dokumentu je prostřednictvím analýzy skutečných problémů s odvodem tepla řídicí desky jádra FPGA proveden nezbytný návrh odvodu tepla pro PCB řídicí desky FPGA, takže řídicí deska FPGA má při práci dobrý výkon pro odvod tepla. .

1. Řídicí deska FPGA a odvod tepla
Navrhněte základní řídicí desku FPGA pro výukové a vědecké výzkumné aplikace, která se skládá hlavně z hlavního řídicího čipu FPGA, napájecích obvodů +3.3V a +1.2V, hodinového obvodu 50MHz, resetovacího obvodu, JTAG a obvod rozhraní pro stahování AS, paměť SRAM a I/O Vyvedení rozhraní a dalších částí. Hlavní řídicí čip FPGA přijímá EP3C5E144C7 v balíčku QFP řady CycloneIII od společnosti Altera. Struktura systému základní řídicí desky FPGA je znázorněna na obrázku 1.

Obrázek 1 Architektura systému základní řídicí desky FPGA

Hlavní zdroje tepla na desce plošných spojů s jádrem FPGA jsou:

(1) Řídicí deska vyžaduje různé napájecí zdroje, například +5V, +3.3V a +1.2V. Výkonový modul produkuje velké množství tepla, když pracuje po dlouhou dobu. Pokud nebudou přijata účinná opatření chlazení, napájecí modul se zahřeje a nebude fungovat normálně.

(2) Hodinová frekvence FPGA řídicí desky je 50 MHz a hustota zapojení PCB je vysoká. S rostoucí integrací systému je spotřeba systému relativně vysoká a pro čip FPGA je třeba provést nezbytná opatření pro odvod tepla.

(3) Samotný substrát DPS vytváří teplo a měděný vodič je jedním ze základních lisovacích materiálů DPS. Odpor samotného korozního vedení potaženého měděným vodičem se zahřívá v důsledku ztráty výkonu střídavého proudu.

Na základě výše uvedené analýzy zdroje tepla obvodového systému základní řídicí desky FPGA je nutné provést nezbytná opatření pro odvod tepla pro řídicí desku jádra FPGA pro zlepšení stability a spolehlivosti systému.

2. Návrh odvodu tepla PCB řídicí desky FPGA
2.1 Návrh výkonového chlazení

Řídicí deska jádra FPGA je připojena k +5v~b DC napájecímu zdroji, který je nutný k poskytování proudu 1A nebo více. Napájecí modul zvolí čip LDO LT1ll7, který převádí +5V DC napájení na +3.3VVCCIO portové napětí a +1.2VVCCINT jádrové napětí požadované hlavním řídicím čipem EP3C5E144C7. LT1117 je zabalen v malém čipu SOT23.

Prostřednictvím výše uvedené analýzy lze zjistit, že k návrhu napájecího obvodu, který splňuje požadavky na napájení +3.3V a +1.2V vyžadované FPGA, jsou zapotřebí dva čipy LT1117. Odvod tepla výkonového modulu je při návrhu DPS řešen následovně:

(1) Protože výkonové moduly budou generovat určité množství tepla, když budou pracovat po dlouhou dobu, dodržujte při rozmístění sousedních výkonových modulů určitou vzdálenost. Pokud je vzdálenost příliš malá, nevede to k rozptylu tepla. Při pokládání nastavte vzdálenost mezi dvěma čipy LDO LT11l7 na 20 mm nebo více.

(2) Na místě, kde je umístěn čip LDO LT1117, proveďte samostatné ošetření měděným povlakem, což vede k odvodu tepla napájecího zdroje.

(3) V případě potřeby přidejte k čipu LDO chladič, abyste zajistili rychlý odvod tepla napájecího modulu a zajistili normální napájení čipu FPGA.

2.2 Odvod tepla pomocí konstrukce

Umístěte několik tepelně vodivých pokovených prokovů na spodní část a blízko součástek, které generují velké množství tepla na desce plošných spojů. Odvod tepla skrz je malý otvor, který proniká do PCB, a jeho průměr je asi 0,4 mm až 1 mm. . . Otvor by neměl být příliš velký a vzdálenost mezi průchody by měla být nastavena na 1 mm až 1,2 mm. Průchozí otvory pronikají do desky s plošnými spoji, takže teplo na přední straně desky s plošnými spoji se rychle přenáší do dalších vrstev odvádějících teplo podél zadní strany desky plošných spojů a součásti na topné ploše se rychle ochladí a mohou účinně zvýšit oblast rozptylu tepla a snížení tepelného odporu, zvýšení výkonu hustoty obvodové desky.

2.3 Návrh odvodu tepla čipu FPGA

Hlavním zdrojem tepla čipu FPGA je dynamická spotřeba energie, jako je spotřeba napětí jádra a spotřeba I/O napětí, spotřeba energie generovaná pamětí, vnitřní logikou a systémem a FPGA řízení jeho funkčních modulů (jako je video , audio moduly atd.) budou generovat energii. Proto je nutné odvádět teplo na čipu FPGA, protože teplo vzniká. Při návrhu pouzdra QFP čipu FPGA se do středu čipu FPGA přidá měděná fólie o velikosti 4,5mmX4,5mm a navrhne se určitý počet podložek pro odvod tepla a lze přidat i chladiče dle skutečným potřebám.

2.4 Konstrukce odvádění tepla z mědi

Měděný povlak PCB může nejen zlepšit schopnost obvodu proti rušení, ale také účinně podporovat odvod tepla desky PCB. Obecně existují dva způsoby měděného opláštění v návrhu DPS pomocí softwaru AltiumDesignerSummer09, tedy velkoplošné měděné opláštění a měděné opláštění ve tvaru mřížky. Nevýhodou velkoplošné páskové měděné fólie je to, že deska s plošnými spoji bude při dlouhodobé práci generovat velké množství tepla, díky čemuž se pásová měděná fólie snadno roztáhne a odpadne. Vzhledem k dobrému odvodu tepla PCB se proto při návrhu měděného opláštění PCB používá měděná fólie ve tvaru mřížky a mřížka je připojena k uzemňovací síti obvodu, aby se zlepšil stínící účinek a výkon rozptylu tepla. systém.

Návrh odvodu tepla desek plošných spojů je klíčovým článkem pro zajištění stability a spolehlivosti desek plošných spojů a volba metody odvodu tepla je primárním faktorem, který je třeba vzít v úvahu. Návrh a aplikace specifických opatření pro odvod tepla je stěžejní otázkou odvodu tepla PCB. V tomto příspěvku je při návrhu PCB základní řídicí desky FPGA výchozím bodem analýza zdroje tepla řídicího systému FPGA a podle skutečných požadavků na odvod tepla je výkonový modul řídicí desky FPGA, Jsou navrženy řídicí čipy FPGA, průchody pro odvod tepla a odvod tepla z mědi. Metoda odvodu tepla přijatá řídicí deskou FPGA má vlastnosti praktičnosti, nízké ceny a snadné realizace.