Оптимизация термического управления печатных плат для FPGA систем

Последние годы свидетельствуют миниатюризацию, интеграцию и модуляризацию электронных продуктов, приводящую к эскалации в терминах плотности сборки электронных компонентов и уменьшению эффективной площади термического рассеивания. Поэтому термическое проектирование высокомощных электронных компонентов и проблемы термического рассеивания на уровне платы становятся столь распространенными среди электронных инженеров. Для FPGA (полево-программируемых гейтовых массивов) систем термическое рассеивание — одна из ключевых технологий, определяющих, способен ли чип нормально работать. Цель термического проектирования печатных плат — снизить температуру компонентов и платы через подходящие меры и методы, чтобы система работала при подходящей температуре. Несмотря на многочисленные меры рассеивания тепла печатных плат, некоторые требования должны учитываться, такие как стоимость термического рассеивания и практичность. Эта статья предлагает методы термического проектирования для печатных плат, управляемых FPGA системой, основанные на анализе практических проблем термического рассеивания, чтобы обеспечить отличную способность термического рассеивания платы управления FPGA системой.

Плата управления FPGA системой и проблема термического рассеивания

Плата управления FPGA системой, используемая в этой статье, в основном состоит из управляющего чипа FPGA (EP3C5E144C7 с корпусом QFP серии Cyclone III от Altera®), цепей питания +3,3В и +1,2В, тактовой цепи 50 МГц, цепи сброса, интерфейса загрузки JTAG и AS, памяти SRAM и интерфейса I/O. Структура платы управления FPGA системой показана на рисунке 1 ниже.

Источники тепла печатной платы, управляемой FPGA системой, происходят от:
• Множество типов источников питания для платы управления, такие как +5В, +3,3В и +1,2В, и модули питания генерируют большое количество тепла при длительной работе. Модули питания не будут нормально работать, если подходящие меры не будут эффективно приняты.
• Тактовая частота FPGA на плате управления составляет 50 МГц с высокой плотностью разводки печатной платы. Эскалация системной интегральности приводит к высокому системному потреблению мощности, и необходимые меры термического рассеивания должны быть приняты для FPGA чипа.
• Подложка печатной платы генерирует тепло сама по себе. Медный проводник входит в базовые материалы печатных плат, и медная проводниковая цепь генерирует тепло с обменом тока и потреблением мощности.

На основе анализа в терминах источников тепла от схемной системы, управляемой FPGA платой управления, необходимые меры рассеивания тепла нужно принять для платы управления FPGA, чтобы повысить стабильность и надежность всей системы.

Термическое проектирование печатной платы, управляемой FPGA чипом

1. Термическое проектирование питания

Плата управления FPGA системой подключена к внешнему источнику постоянного тока (DC) +5В, который требуется для поставки тока более 1А. Чип LDO LT1117 (в малом корпусе SOT-23 SMD) выбран как модуль питания, способный преобразовывать +5В DC питание в +3,3В VCCIO интерфейсное напряжение и +1,2В VCCINT VCORE.

Согласно анализу выше, в процессе проектирования цепи питания нужны два чипа LT1117, чтобы удовлетворить требования напряжения +3,3В и +1,2В FPGA. Меры рассеивания тепла модулей питания в процессе проектирования печатной платы включают следующие аспекты:
• Для обеспечения быстрого термического рассеивания модуля питания, поставляющего питание FPGA чипу, радиатор должен быть добавлен к LDO чипу при необходимости.
• Поскольку модуль питания генерирует тепло после длительной работы, определенное расстояние должно поддерживаться между соседними модулями питания. Расстояние между двумя чипами LDO LT1117 должно быть 20 мм или более.
• Для содействия термическому рассеиванию медь должна быть напылена независимо на месте чипа LDO LT1117, как показано на рисунке 2.

2. Термическое проектирование переходных отверстий

Внизу компонентов с большим количеством выработки тепла на печатных платах или рядом с ними должны быть размещены некоторые проводящие металлические виа. Термические виа — это маленькие отверстия, пронизывающие печатную плату, с диаметром в диапазоне 0,4–1 мм и расстоянием между виа в диапазоне 1–1,2 мм. Виа, пронизывающие плату, позволяют энергии на лицевой стороне быстро передаваться на другие термические рассеивающие слои, так что компоненты на горячей стороне печатной платы мгновенно охлаждаются, а площадь термического рассеивания эффективно увеличивается и сопротивление уменьшается. В конечном счете, плотность мощности печатной платы может быть улучшена. Термическое проектирование переходных отверстий показано на рисунке 3 ниже.

3. Термическое проектирование FPGA чипа

Тепло FPGA чипа в основном исходит от динамического потребления энергии, такого как VCORE и I/O напряжение потребления энергии, потребления энергии, производимой памятью, внутренней логикой и системой, и потребления энергии, производимой FPGA при управлении другими модулями (видео, радио модули например). При проектировании FPGA чипа QFP корпуса, медная фольга добавляется в центр FPGA чипа с размером 4,5 мм x 4,5 мм и проектируются несколько термических площадок. Радиатор может быть добавлен при необходимости. Термическое проектирование FPGA чипа показано на рисунке 4 ниже.

4. Термическое проектирование напылении меди

Напыление меди на печатной плате может как увеличить помехоустойчивость цепей, так и способствовать термическому рассеиванию печатных плат. Проектирование печатных плат на базе Altium Designer Summer 09 обычно имеет два типа напылении меди: напыление большой площади и напыление в виде сетки. Напыление большой площади в виде полос имеет дефект: длительная работа печатной платы может привести к большому выделению тепла, что заставит полосовидную медную фольгу расширяться и отслаиваться. Поэтому, для получения отличной способности рассеивания тепла печатной платы, напыление меди должно реализовываться в виде сетки и соединение между сетью и заземляющей сетью схемы, чтобы эффект экранирования системы и термическая производительность рассеивания будут улучшены. Термическое проектирование напылении меди показано на рисунке 5 ниже.

Термическое проектирование печатных плат играет ключевую роль в определении рабочей стабильности и надежности печатных плат, а определение в терминах методов термического проектирования — самое важное соображение. Эта статья обсуждает некоторые меры рассеивания тепла печатной платы, управляемой FPGA системой, и подходящий метод должен быть выбран с учетом стоимости и практичности.

Полезные ресурсы:
• Самые полные принципы термического проектирования для печатных плат
• Соображения термического проектирования печатных плат
• Проектирование высокомощных печатных плат в высокотемпературной среде
• Металлоядерная печатная плата — идеальное решение термических проблем в PCB и PCBA
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множественные ценности
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки