Советы по тепловому расчету печатных плат, управляемых системой FPGA

В последние годы наблюдается миниатюризация, целостность и модульность электронных продуктов, что приводит к увеличению плотности сборки электронных компонентов и снижению эффективной площади рассеивания тепла. Поэтому тепловое проектирование мощных электронных компонентов и проблемы рассеивания тепла на уровне платы становятся настолько распространенными среди инженеров-электронщиков. Для системы FPGA (программируемая пользователем вентильная матрица) тепловыделение является одной из ключевых технологий, определяющих, способна ли микросхема нормально работать. Целью теплового проектирования печатных плат является снижение температуры компонентов и платы с помощью подходящих мер и методов, чтобы система работала при подходящей температуре. Несмотря на многочисленные меры по отводу тепла от печатных плат, необходимо учитывать некоторые требования, такие как стоимость отвода тепла и практичность. В этой статье представлены методы теплового проектирования для печатных плат, управляемых системой FPGA, основанные на анализе практических проблем рассеивания тепла, чтобы обеспечить превосходную способность рассеивания тепла платой управления системой FPGA.

Плата управления системой FPGA и проблема рассеивания тепла

Плата управления системой FPGA, используемая в этой статье, в основном состоит из управляющей микросхемы FPGA (EP3C5E144C7 с пакетом QFP серии Cyclone III от Altera ^® ), цепи питания +3,3 В и +1,2 В, схема синхронизации 50 МГц, схема сброса, схема интерфейса загрузки JTAG и AS, память SRAM и интерфейс ввода/вывода. Структура платы управления системой FPGA показана на рисунке 1 ниже.

Источниками тепла печатной платы, управляемой системой FPGA, являются:
• Многочисленные типы источников питания для платы управления, такие как +5 В, +3,3 В и +1,2 В, а модули питания выделяют большое количество тепла при работе. долго. Силовые модули не будут нормально работать, если не будут приняты соответствующие меры.
• Тактовая частота FPGA на плате управления составляет 50 МГц при высокой плотности разводки печатных плат. Повышение целостности системы приводит к высокому энергопотреблению системы, и необходимо принять необходимые меры по отводу тепла от микросхемы FPGA.
• Подложка печатной платы сама по себе выделяет тепло. Медный проводник является одним из основных материалов печатных плат, и цепь медного проводника будет выделять тепло при обмене током и потребляемой мощностью.

Основываясь на анализе источников тепла от схемной системы, управляемой платой управления FPGA, необходимо принять необходимые меры для рассеивания тепла на плате управления FPGA, чтобы повысить стабильность и надежность всей системы.

Тепловой расчет печатной платы, управляемой чипом FPGA

1. Тепловой расчет мощности

Плата управления системой FPGA подключена к внешнему источнику питания постоянного тока +5 В, который необходим для подачи тока более 1 А. Микросхема LDO LT1117 (с небольшим корпусом SOT-23 SMD) выбрана в качестве модуля питания, способного преобразовывать напряжение постоянного тока +5 В в напряжение интерфейса +3,3 В VCCIO и +1,2 В VCCINT VCORE.

Согласно приведенному выше анализу, в процессе проектирования схемы питания необходимы две микросхемы LT1117, чтобы удовлетворить требования по напряжению +3,3 В и +1,2 В для ПЛИС. Меры по отводу тепла силовых модулей в процессе проектирования печатной платы включают следующие аспекты:
• Для обеспечения быстрого рассеивания тепла модуля питания, питающего микросхему ПЛИС, при необходимости к микросхеме LDO следует добавлять радиатор.
• Поскольку силовой модуль выделяет тепло после длительной работы, необходимо соблюдать определенное расстояние между соседними силовыми модулями. Расстояние между двумя микросхемами LDO LT1117 должно быть не менее 20 мм.
• Чтобы способствовать рассеиванию тепла, медное покрытие должно выполняться независимо от места микросхемы LDO LT1117, как показано на рис. 2.

2. Тепловой расчет сквозных отверстий

Внизу компонентов с большим выделением тепла на печатных платах или рядом с ними следует размещать несколько токопроводящих металлических переходных отверстий. Теплоотводящие отверстия представляют собой небольшие отверстия, проходящие через печатную плату, диаметром от 0,4 мм до 1 мм и с расстоянием между отверстиями в диапазоне от 1 мм до 1,2 мм. Через сквозные отверстия, проходящие через печатную плату, энергия спереди быстро передается другим слоям рассеивания тепла, так что компоненты на горячей стороне печатной платы мгновенно охлаждаются, а площадь рассеивания тепла эффективно увеличивается, а сопротивление уменьшается. Наконец, плотность мощности печатной платы может быть улучшена. Тепловой расчет сквозных отверстий показан на рисунке 3 ниже.

3. Тепловой расчет микросхемы FPGA

Тепло чипа FPGA в основном происходит из-за динамического потребления энергии, такого как потребление энергии VCORE и напряжения ввода / вывода, потребление энергии, производимое памятью, внутренней логикой и системой, и потребление энергии, производимое FPGA при управлении другими модулями (например, видео, радиомодули) . При проектировании пакета QFP микросхемы FPGA в центр микросхемы FPGA добавляется медная фольга размером 4,5 мм x 4,5 мм, а также проектируются несколько прокладок для рассеивания тепла. При необходимости можно добавить радиатор. Тепловой расчет микросхемы FPGA показан на рисунке 4 ниже.

4. Тепловой расчет медного покрытия

Покрытие медью печатных плат может как повысить помехоустойчивость схем, так и способствовать рассеиванию тепла печатных плат. В дизайне печатных плат, основанном на Altium Designer Summer 09, обычно используется два типа медного покрытия:медное покрытие большой площади и медное покрытие в форме сетки. Медное покрытие в форме полосы большой площади имеет дефект, заключающийся в том, что длительная работа печатной платы может привести к сильному выделению тепла, из-за чего медная фольга в форме полосы расширяется и отваливается. Поэтому, чтобы получить превосходную способность рассеивания тепла печатной платы, медное покрытие должно быть выполнено с формой сетки и соединением между сеткой и сетью заземления цепи, чтобы улучшить эффект экрана системы и эффективность рассеивания тепла. Тепловой расчет медного покрытия показан на рисунке 5 ниже.

Тепловой расчет печатных плат играет ключевую роль в определении рабочей стабильности и надежности печатных плат, и определение с точки зрения методов теплового расчета является наиболее важным фактором. В этой статье обсуждаются некоторые меры по отводу тепла от печатной платы, управляемой системой FPGA, и подходящий метод следует выбирать с учетом стоимости и практичности.

Полезные ресурсы
• Наиболее полные принципы расчета тепловых характеристик печатных плат
• Рекомендации по расчету тепловых характеристик печатных плат
• Проектирование мощных печатных плат в высокотемпературных условиях
• Печатная плата с металлическим сердечником — идеальный вариант Решение тепловых проблем в печатных платах и ​​печатных платах
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 штуки