Termisk design av FPGA-kretskort

PCB varmespredning design av FPGA kjernekontrollkort

De siste årene, med miniatyrisering, integrasjon og modularisering av elektroniske produkter, har installasjonstettheten til elektroniske komponenter økt og det effektive varmeavledningsområdet har gått ned. Derfor har den termiske utformingen av elektroniske komponenter med høy effekt og varmespredningen på kretskort på kortnivå tiltrukket seg oppmerksomheten til elektroniske ingeniører. En av nøkkelteknologiene for om FPGA-kontrollsystemet kan fungere normalt er varmeavledningen til systemet. Formålet med PCB termisk design er å ta passende tiltak og metoder for å redusere temperaturen på komponenter og PCB-kort, slik at systemet kan fungere normalt ved en passende temperatur. Selv om det er mange varmespredningstiltak for PCB, er det nødvendig å vurdere kravene til varmespredningskostnad og gjennomførbarhet. I denne artikkelen, gjennom analysen av de faktiske varmespredningsproblemene til FPGA-kjernekontrollkortet, utføres den nødvendige varmespredningsdesignen for PCB-en til FPGA-kontrollkortet, slik at FPGA-kontrollkortet har god varmeavledningsytelse når du arbeider .

1. FPGA-kontrollkort og varmeavledning
Design et FPGA-kjernekontrollkort for undervisning og vitenskapelige forskningsapplikasjoner, som hovedsakelig består av hovedkontrollbrikke FPGA, pluss 3,3V og pluss 1,2V strømforsyningskretser, 50MHz klokkekrets, tilbakestillingskrets, JTAG- og AS-nedlastingsgrensesnittkrets, SRAM-minne og I/O som leder ut grensesnittet og andre deler. Hovedkontrollbrikken FPGA bruker EP3C5E144C7 i CycloneIII-seriens QFP-pakke fra Altera Company. Strukturen til FPGA-kjernekontrollkortsystemet er vist i figur 1.

Figur 1 FPGA-kjernekontrollkortsystemarkitektur

De viktigste varmekildene på FPGA-kjernekontrollkortets PCB er:

(1) Kontrollkortet krever ulike strømforsyninger som pluss 5V, pluss 3,3V og pluss 1,2V. Strømmodulen produserer mye varme når den fungerer over lengre tid. Hvis effektive kjøletiltak ikke iverksettes, vil strømmodulen bli varm og kan ikke fungere normalt.

(2) FPGA-klokkefrekvensen til kontrollkortet er 50MHz, og PCB-ledningstettheten er høy. Med økningen av systemintegrasjon er systemets strømforbruk relativt høyt, og nødvendige varmespredningstiltak må tas for FPGA-brikken.

(3) Substratet til PCB selv genererer varme, og kobberlederen er et av de grunnleggende støpematerialene til PCB. Motstanden til selve den kobberlederbelagte korrosjonslinjen varmes opp på grunn av tapet av vekselstrømseffekten.

Basert på analysen ovenfor av varmekilden til kretssystemet til FPGA-kjernekontrollkortet, er det nødvendig å ta nødvendige varmespredningstiltak for FPGA-kjernekontrollkortet for å forbedre stabiliteten og påliteligheten til systemet.

2. PCB varmespredning design av FPGA kontrollkort
2.1 Kraftkjølingsdesign

FPGA-kjernekontrollkortet er koblet til en pluss 5v~b DC-strømforsyning, som kreves for å gi en strøm på lA eller høyere. Strømmodulen velger LDO-brikken LT1ll7, som konverterer pluss 5V DC strømforsyningen til pluss 3,3VVCCIO portspenning og pluss 1,2VVCCINT kjernespenning som kreves av hovedkontrollbrikken EP3C5E144C7. LT1117 er pakket i en liten SOT23-brikke.

Gjennom analysen ovenfor kan det være kjent at to LT1117-brikker er nødvendig for å designe strømkretsen for å møte strømforsyningskravene på pluss 3,3V og pluss 1,2V som kreves av FPGA. Varmespredningen til strømmodulen håndteres som følger under PCB-design:

(1) Siden kraftmodulene vil generere en viss mengde varme når de jobber over lang tid, hold en viss avstand når du legger ut tilstøtende kraftmoduler. Hvis avstanden er for nær, bidrar det ikke til varmespredning. Når du legger ut, still inn avstanden mellom de to LDO-brikkene LT11l7 til 20 mm eller mer.

(2) Utfør separat kobberbeleggbehandling på posisjonen der LDO-brikken LT1117 er plassert, noe som bidrar til varmespredning av strømforsyningen.

(3) Om nødvendig, legg til en kjøleribbe til LDO-brikken for å sikre rask varmespredning av strømmodulen og gi normal strømforsyning til FPGA-brikken.

2.2 Varmeavledning via design

Plasser noen varmeledende metalliserte vias i bunnen av og i nærheten av komponenter som genererer mye varme på PCB. Varmespredningen via er et lite hull som trenger gjennom PCB-en, og diameteren er omtrent 0,4 mm til 1 mm. . . Blenderåpningen bør ikke være for stor, og avstanden mellom viaene bør settes til 1 mm til 1,2 mm. Via-hullene trenger gjennom det trykte kretskortet, slik at varmen på forsiden av det trykte kortet raskt overføres til andre varmeavledningslag langs baksiden av PCB-en, og komponentene på varmeoverflaten avkjøles raskt, og kan effektivt øke. varmeavledningsområdet og redusere termisk motstand, øke kraften til kretskortets tetthet.

2.3 FPGA chip varmespredning design

Hovedkilden til FPGA-brikkevarme er dynamisk strømforbruk, slik som strømforbruk for kjernespenning og strømforbruk for I/O-spenning, strømforbruk generert av minne, intern logikk og systemet, og FPGA-kontroll av funksjonsmodulene (som video). , lydmoduler, etc.) vil generere strøm. Derfor er det nødvendig å spre varme på FPGA-brikken etter hvert som varme genereres. Ved utforming av QFP-pakken til FPGA-brikken legges en kobberfolie med en størrelse på 4,5 mmX4,5 mm til midten av FPGA-brikken, og et visst antall varmeavledningsputer er designet, og varmeavledere kan også legges til iht. til faktiske behov.

2.4 Kobber varmeavledning design

PCB-kobberbelegg kan ikke bare forbedre anti-interferensevnen til kretsen, men også effektivt fremme varmespredningen til PCB-kortet. Det er generelt to metoder for kobberkledning i PCB-design ved bruk av programvaren AltiumDesignerSummer09, det vil si kobberkledning med stort areal og gitterformet kobberkledning. Ulempen med kobberfolie med stor flate er at kretskortet vil generere mye varme når det fungerer over lengre tid, noe som gjør at båndet kobberfolie lett kan utvides og falle av. Derfor, med tanke på PCBs gode varmeavledningsytelse, brukes en gitterformet kobberfolie i utformingen av PCB-kobberkledning, og nettet er koblet til jordingsnettverket til kretsen for å forbedre skjermingseffekten og varmeavledningsytelsen til kretsen. system.

PCB varmespredningsdesign er en nøkkelledd for å sikre stabiliteten og påliteligheten til PCB-kort, og valget av varmespredningsmetode er den primære faktoren som skal vurderes. Utformingen og anvendelsen av spesifikke varmespredningstiltak er kjernespørsmålet for PCB-varmespredning. I denne artikkelen, når du designer PCB-en til FPGA-kjernekontrollkortet, er analysen av varmekilden til FPGA-kontrollsystemet utgangspunktet, og i henhold til de faktiske varmespredningskravene, er kraftmodulen til FPGA-kontrollkortet, FPGA-kontrollbrikken, varmespredningsviasene og kobbervarmespredningen er designet. Varmespredningsmetoden som er tatt i bruk av FPGA-kontrollkortet har egenskapene til gjennomførbarhet, lav kostnad og enkel realisering.