Thermisch ontwerp van FPGA-printplaat

PCB-warmteafvoerontwerp van FPGA-kernbesturingskaart

Door de miniaturisering, integratie en modularisering van elektronische producten is de afgelopen jaren de installatiedichtheid van elektronische componenten toegenomen en is het effectieve warmtedissipatieoppervlak afgenomen. Daarom hebben het thermische ontwerp van elektronische componenten met hoog vermogen en de warmteafvoer op bordniveau van printplaten de aandacht getrokken van elektronische ingenieurs. Een van de belangrijkste technologieën die bepalen of het FPGA-besturingssysteem normaal kan werken, is de warmteafvoer van het systeem. Het doel van het thermische ontwerp van PCB's is het nemen van passende maatregelen en methoden om de temperatuur van componenten en printplaten te verlagen, zodat het systeem normaal kan werken bij een geschikte temperatuur. Hoewel er veel warmteafvoermaatregelen voor PCB's bestaan, is het noodzakelijk om rekening te houden met de vereisten op het gebied van warmteafvoerkosten en uitvoerbaarheid. In dit artikel wordt, door de analyse van de feitelijke warmtedissipatieproblemen van de FPGA-kernbesturingskaart, het noodzakelijke warmtedissipatieontwerp voor de PCB van de FPGA-besturingskaart uitgevoerd, zodat de FPGA-besturingskaart goede warmteafvoerprestaties heeft tijdens het werken .

1. FPGA-besturingskaart en warmteafvoer
Ontwerp een FPGA-kernbesturingsbord voor toepassingen in het onderwijs en wetenschappelijk onderzoek, dat voornamelijk bestaat uit de hoofdbesturingschip FPGA, +3.3V en +1.2V voedingscircuits, 50MHz klokcircuit, resetcircuit, JTAG en AS-downloadinterfacecircuit, SRAM-geheugen en I/O die de interface en andere onderdelen leiden. De belangrijkste besturingschip FPGA gebruikt EP3C5E144C7 in het CycloneIII-serie QFP-pakket van Altera Company. De structuur van het FPGA-kernbesturingskaartsysteem wordt weergegeven in figuur 1.

Figuur 1 Systeemarchitectuur van de FPGA-kernbesturingskaart

De belangrijkste warmtebronnen op de printplaat van de FPGA-kernbesturingskaart zijn:

(1) De besturingskaart heeft verschillende voedingen nodig, zoals +5V, +3.3V en +1.2V. De powermodule produceert veel warmte als deze langdurig werkt. Als er geen effectieve koelingsmaatregelen worden genomen, wordt de voedingsmodule heet en kan deze niet normaal werken.

(2) De FPGA-klokfrequentie van de besturingskaart is 50 MHz en de bedradingsdichtheid van de PCB is hoog. Met de toename van de systeemintegratie is het energieverbruik van het systeem relatief hoog en moeten de nodige maatregelen voor warmteafvoer voor de FPGA-chip worden genomen.

(3) Het substraat van de PCB zelf genereert warmte en de koperen geleider is een van de basisvormmaterialen van de PCB. De weerstand van de met koperen geleider beklede corrosielijn zelf wordt verwarmd door het verlies van wisselstroom.

Gebaseerd op de bovenstaande analyse van de warmtebron van het circuitsysteem van de FPGA-kernbesturingskaart, is het noodzakelijk om de nodige warmteafvoermaatregelen te nemen voor de FPGA-kernbesturingskaart om de stabiliteit en betrouwbaarheid van het systeem te verbeteren.

2. PCB-warmteafvoerontwerp van FPGA-besturingskaart
2.1 Ontwerp met krachtige koeling

De FPGA-kernbesturingskaart is aangesloten op een +5v~b DC-voeding, die nodig is om een ​​stroomsterkte van lA of hoger te leveren. De voedingsmodule kiest de LDO-chip LT1ll7, die de +5V DC-voeding omzet in de +3.3VVCCIO-poortspanning en de +1.2VVCCINT-kernspanning die vereist is voor de hoofdbesturingschip EP3C5E144C7. De LT1117 is verpakt in een kleine SOT23-chip.

Uit bovenstaande analyse blijkt dat er twee LT1117-chips nodig zijn om het stroomcircuit zo te ontwerpen dat het voldoet aan de voedingsvereisten van +3.3V en +1.2V, vereist door de FPGA. De warmteafvoer van de voedingsmodule wordt tijdens het PCB-ontwerp als volgt afgehandeld:

(1) Omdat de powermodules een bepaalde hoeveelheid warmte genereren als ze lange tijd werken, dient u een bepaalde afstand aan te houden bij het plaatsen van aangrenzende powermodules. Als de afstand te klein is, is dit niet bevorderlijk voor warmteafvoer. Stel bij het leggen de afstand tussen de twee LDO-chips LT11l7 in op 20 mm of meer.

(2) Voer een afzonderlijke kopercoatingbehandeling uit op de positie waar de LDO-chip LT1117 is geplaatst, wat bevorderlijk is voor de warmteafvoer van de voeding.

(3) Voeg indien nodig een koellichaam toe aan de LDO-chip om een ​​snelle warmteafvoer van de voedingsmodule te garanderen en een normale voeding voor de FPGA-chip te bieden.

2.2 Warmteafvoer via ontwerp

Plaats enkele warmtegeleidende gemetalliseerde via's aan de onderkant van en nabij componenten die veel warmte op de print genereren. De warmteafvoer via een klein gaatje dat de printplaat binnendringt, heeft een diameter van ongeveer 0,4 mm tot 1 mm. . . De opening mag niet te groot zijn en de afstand tussen de via's moet worden ingesteld op 1 mm tot 1,2 mm. De via-gaten dringen de printplaat binnen, zodat de warmte aan de voorkant van de printplaat snel wordt overgedragen naar andere warmtedissipatielagen langs de achterkant van de printplaat, en de componenten op het verwarmingsoppervlak snel worden gekoeld en effectief kunnen worden verhoogd het warmtedissipatiegebied en verminder de thermische weerstand, waardoor de kracht van de printplaatdichtheid toeneemt.

2.3 FPGA-chip warmteafvoerontwerp

De belangrijkste bron van FPGA-chipwarmte is het dynamische energieverbruik, zoals het stroomverbruik van de kernspanning en het stroomverbruik van de I/O-spanning, het stroomverbruik gegenereerd door het geheugen, de interne logica en het systeem, en de FPGA-besturing van de functionele modules (zoals video audiomodules, enz.) zullen stroom genereren. Daarom is het noodzakelijk om warmte af te voeren op de FPGA-chip wanneer warmte wordt gegenereerd. Bij het ontwerpen van het QFP-pakket van de FPGA-chip wordt een koperfolie met een afmeting van 4,5 mm x 4,5 mm toegevoegd aan het midden van de FPGA-chip, en er wordt een bepaald aantal warmtedissipatiepads ontworpen, en koellichamen kunnen ook worden toegevoegd volgens op werkelijke behoeften.

2.4 Ontwerp van koperen warmteafvoer

PCB-kopercoating kan niet alleen het anti-interferentievermogen van het circuit verbeteren, maar ook effectief de warmteafvoer van de printplaat bevorderen. Er zijn over het algemeen twee methoden voor koperbekleding bij PCB-ontwerp met behulp van AltiumDesignerSummer09-software, namelijk koperbekleding met een groot oppervlak en roostervormige koperbekleding. Het nadeel van stripkoperfolie met een groot oppervlak is dat de printplaat bij langdurig gebruik veel warmte zal genereren, waardoor de stripkoperfolie gemakkelijk uitzet en eraf valt. Daarom wordt, gezien de goede warmteafvoerprestaties van PCB's, een roostervormige koperfolie gebruikt bij het ontwerp van PCB-koperbekleding en wordt het rooster verbonden met het aardingsnetwerk van het circuit om het afschermingseffect en de warmteafvoerprestaties van de PCB te verbeteren. systeem.

Het ontwerp van PCB-warmtedissipatie is een belangrijke schakel om de stabiliteit en betrouwbaarheid van printplaten te garanderen, en de keuze van de warmtedissipatiemethode is de belangrijkste factor waarmee rekening moet worden gehouden. Het ontwerp en de toepassing van specifieke maatregelen voor warmteafvoer vormen de kern van de warmteafvoer van PCB's. In dit artikel is bij het ontwerpen van de printplaat van de FPGA-kernbesturingskaart de analyse van de warmtebron van het FPGA-regelsysteem het uitgangspunt, en volgens de werkelijke vereisten voor warmteafvoer, de voedingsmodule van de FPGA-besturingskaart, de FPGA-controlechip, de warmteafvoer via's en de koperen warmteafvoer zijn ontworpen. De door de FPGA-besturingskaart toegepaste warmteafvoermethode heeft de kenmerken van uitvoerbaarheid, lage kosten en gemakkelijke realisatie.