Desain Termal Papan Sirkuit FPGA

Desain pembuangan panas PCB dari papan kontrol inti FPGA

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan miniaturisasi, integrasi dan modularisasi produk elektronik, kepadatan pemasangan komponen elektronik telah meningkat dan area pembuangan panas efektif mengalami penurunan. Oleh karena itu, desain termal komponen elektronik berdaya tinggi dan pembuangan panas tingkat papan pada papan sirkuit telah menarik perhatian para insinyur elektronik. Salah satu teknologi utama yang menentukan apakah sistem kontrol FPGA dapat bekerja secara normal adalah pembuangan panas sistem. Tujuan dari desain termal PCB adalah untuk mengambil tindakan dan metode yang tepat untuk mengurangi suhu komponen dan papan PCB, sehingga sistem dapat bekerja secara normal pada suhu yang sesuai. Meskipun ada banyak tindakan pembuangan panas untuk PCB, perlu mempertimbangkan persyaratan biaya pembuangan panas dan kepraktisan. Dalam tulisan ini, melalui analisis masalah pembuangan panas aktual pada papan kendali inti FPGA, dilakukan desain pembuangan panas yang diperlukan untuk PCB papan kendali FPGA, sehingga papan kendali FPGA memiliki kinerja pembuangan panas yang baik saat bekerja. .

1. Papan kontrol FPGA dan pembuangan panas
Rancang papan kontrol inti FPGA untuk aplikasi pengajaran dan penelitian ilmiah, yang sebagian besar terdiri dari chip kontrol utama FPGA, sirkuit catu daya +3.3V dan +1.2V, sirkuit jam 50MHz, sirkuit reset, JTAG dan sirkuit antarmuka unduhan AS, memori SRAM dan I/O Memimpin antarmuka dan bagian lainnya. Chip kontrol utama FPGA mengadopsi EP3C5E144C7 dalam paket QFP seri CycloneIII dari Perusahaan Altera. Struktur sistem papan kendali inti FPGA ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Arsitektur sistem papan kendali inti FPGA

Sumber panas utama pada PCB papan kontrol inti FPGA adalah:

(1) Papan kendali memerlukan berbagai catu daya seperti +5V, +3.3V dan +1.2V. Modul daya menghasilkan banyak panas bila digunakan dalam waktu lama. Jika tindakan pendinginan yang efektif tidak dilakukan, modul daya akan menjadi panas dan tidak dapat bekerja secara normal.

(2) Frekuensi jam FPGA pada papan kontrol adalah 50MHz, dan kepadatan kabel PCB tinggi. Dengan meningkatnya integrasi sistem, konsumsi daya sistem menjadi relatif tinggi, dan tindakan pembuangan panas yang diperlukan harus diambil untuk chip FPGA.

(3) Substrat PCB itu sendiri menghasilkan panas, dan konduktor tembaga merupakan salah satu bahan cetakan dasar PCB. Ketahanan garis korosi berlapis konduktor tembaga itu sendiri memanas akibat hilangnya daya arus bolak-balik.

Berdasarkan analisis sumber panas sistem sirkuit papan kendali inti FPGA di atas, perlu dilakukan tindakan pembuangan panas yang diperlukan pada papan kendali inti FPGA untuk meningkatkan stabilitas dan keandalan sistem.

2. Desain pembuangan panas PCB dari papan kontrol FPGA
2.1 Desain pendingin daya

Papan kontrol inti FPGA terhubung ke catu daya DC +5v~b, yang diperlukan untuk menyediakan arus lA atau lebih tinggi. Modul daya memilih chip LDO LT1ll7, yang mengubah catu daya +5V DC menjadi tegangan port +3.3VVCCIO dan tegangan inti +1.2VVCCINT yang diperlukan oleh chip kontrol utama EP3C5E144C7. LT1117 dikemas dalam chip SOT23 kecil.

Melalui analisa diatas dapat diketahui bahwa diperlukan dua buah chip LT1117 untuk merancang rangkaian daya guna memenuhi kebutuhan catu daya sebesar +3.3V dan +1.2V yang dibutuhkan oleh FPGA. Pembuangan panas modul daya ditangani sebagai berikut selama desain PCB:

(1) Karena modul daya akan menghasilkan panas dalam jumlah tertentu ketika bekerja dalam waktu lama, jaga jarak tertentu saat meletakkan modul daya yang berdekatan. Jika jaraknya terlalu dekat, tidak kondusif bagi pembuangan panas. Saat meletakkan, atur jarak antara dua chip LDO LT11l7 menjadi 20mm atau lebih.

(2) Lakukan perawatan pelapisan tembaga terpisah pada posisi penempatan chip LDO LT1117, yang kondusif untuk pembuangan panas catu daya.

(3) Jika perlu, tambahkan heat sink ke chip LDO untuk memastikan pembuangan panas yang cepat dari modul daya dan menyediakan catu daya normal untuk chip FPGA.

2.2 Pembuangan panas melalui desain

Tempatkan beberapa vias logam penghantar panas di bagian bawah dan dekat komponen yang menghasilkan banyak panas pada PCB. Pembuangan panas melalui lubang kecil yang menembus PCB, dan diameternya sekitar 0,4mm hingga 1mm. . . Bukaan tidak boleh terlalu besar, dan jarak antar vias harus diatur pada 1 mm hingga 1,2 mm. Melalui lubang menembus papan sirkuit cetak, sehingga panas di bagian depan papan cetak dengan cepat ditransmisikan ke lapisan pembuangan panas lainnya di sepanjang bagian belakang PCB, dan komponen pada permukaan pemanas didinginkan dengan cepat, dan secara efektif dapat meningkat area pembuangan panas dan mengurangi ketahanan termal, meningkatkan kekuatan kepadatan papan sirkuit.

2.3 desain pembuangan panas chip FPGA

Sumber utama panas chip FPGA adalah konsumsi daya dinamis, seperti konsumsi daya tegangan inti dan konsumsi daya tegangan I/O, konsumsi daya yang dihasilkan oleh memori, logika internal, dan sistem, serta kontrol FPGA terhadap modul fungsionalnya (seperti video , modul audio, dll.) akan menghasilkan daya Oleh karena itu, panas pada chip FPGA perlu dihilangkan saat panas dihasilkan. Saat merancang paket QFP dari chip FPGA, foil tembaga dengan ukuran 4.5mmX4.5mm ditambahkan ke bagian tengah chip FPGA, dan sejumlah bantalan pembuangan panas dirancang, dan heat sink juga dapat ditambahkan sesuai terhadap kebutuhan sebenarnya.

2.4 Desain pembuangan panas tembaga

Lapisan tembaga PCB tidak hanya dapat meningkatkan kemampuan anti-interferensi sirkuit, tetapi juga secara efektif meningkatkan pembuangan panas papan PCB. Umumnya ada dua metode pelapisan tembaga dalam desain PCB yang menggunakan software AltiumDesignerSummer09, yaitu pelapisan tembaga area luas dan pelapisan tembaga berbentuk kotak. Kerugian dari strip tembaga foil dengan area yang luas adalah papan PCB akan menghasilkan banyak panas jika digunakan dalam waktu lama, sehingga strip tembaga foil mudah mengembang dan rontok. Oleh karena itu, mengingat kinerja pembuangan panas PCB yang baik, foil tembaga berbentuk kotak digunakan dalam desain kelongsong tembaga PCB, dan jaringan tersebut dihubungkan ke jaringan pembumian sirkuit untuk meningkatkan efek pelindung dan kinerja pembuangan panas dari PCB. sistem.

Desain pembuangan panas PCB adalah kunci utama untuk memastikan stabilitas dan keandalan papan PCB, dan pilihan metode pembuangan panas adalah faktor utama yang harus dipertimbangkan. Desain dan penerapan langkah-langkah pembuangan panas spesifik adalah masalah inti pembuangan panas PCB. Dalam tulisan ini, ketika merancang PCB papan kontrol inti FPGA, analisis sumber panas sistem kontrol FPGA adalah titik awal, dan sesuai dengan persyaratan pembuangan panas aktual, modul daya papan kontrol FPGA, Chip kontrol FPGA, vias pembuangan panas, dan pembuangan panas tembaga dirancang. Metode pembuangan panas yang diadopsi oleh papan kontrol FPGA memiliki karakteristik kepraktisan, biaya rendah, dan realisasi yang mudah.