Az FPGA áramköri kártya hőtervezése

Az FPGA mag vezérlőkártya PCB hőelvezetéses kialakítása

Az elmúlt években az elektronikai termékek miniatürizálásával, integrálásával és modularizálásával az elektronikai alkatrészek beépítési sűrűsége nőtt, és csökkent a hatékony hőelvezetési terület. Ezért a nagy teljesítményű elektronikai alkatrészek termikus tervezése és az áramköri lapok kártyaszintű hőleadása felkeltette az elektronikai mérnökök figyelmét. Az FPGA vezérlőrendszer normális működésének egyik kulcsfontosságú technológiája a rendszer hőelvezetése. A PCB termikus tervezésének célja, hogy megfelelő intézkedéseket és módszereket tegyen az alkatrészek és a PCB kártya hőmérsékletének csökkentésére, hogy a rendszer megfelelő hőmérsékleten normálisan működhessen. Bár a PCB-k esetében számos hőelvezetési intézkedés létezik, figyelembe kell venni a hőelvezetési költség és a megvalósíthatóság követelményeit. Ebben a cikkben az FPGA mag vezérlőkártya tényleges hőelvezetési problémáinak elemzésén keresztül elvégezzük az FPGA vezérlőkártya PCB-jének szükséges hőelvezetési tervezését, hogy az FPGA vezérlőkártya jó hőelvezetési teljesítményt nyújtson munka közben. .

1. FPGA vezérlőkártya és hőelvezetés
Tervezzen egy FPGA mag vezérlőkártyát oktatási és tudományos kutatási alkalmazásokhoz, amely főként FPGA fő vezérlőchipből, plusz 3,3 V-os és plusz 1,2 V-os tápáramkörökből, 50 MHz-es órajel áramkörből, reset áramkörből, JTAG és AS letöltési interfész áramkörből, SRAM memóriából áll és I/O Az interfész és egyéb részek kivezetése. Az FPGA fő vezérlőchip az EP3C5E144C7-et alkalmazza az Altera Company CycloneIII sorozatú QFP csomagjában. Az FPGA mag vezérlőkártya rendszer felépítése az 1. ábrán látható.

1. ábra FPGA mag vezérlőkártya rendszerarchitektúra

Az FPGA mag vezérlőkártya PCB fő hőforrásai a következők:

(1) A vezérlőkártya különféle tápegységeket igényel, például plusz 5 V, plusz 3,3 V és plusz 1,2 V. A tápmodul sok hőt termel, ha hosszú ideig működik. Ha nem tesznek hatékony hűtési intézkedéseket, a tápegység felforrósodik, és nem tud megfelelően működni.

(2) A vezérlőkártya FPGA órajel-frekvenciája 50 MHz, és a PCB huzalozási sűrűsége magas. A rendszerintegráció növekedésével a rendszer energiafogyasztása viszonylag magas, és az FPGA chip esetében meg kell tenni a szükséges hőelvezetési intézkedéseket.

(3) Maga a PCB hordozója hőt termel, és a rézvezető a PCB egyik alapvető formázóanyaga. Maga a rézvezetővel bevont korróziós vezeték ellenállása felmelegszik a váltakozó áramú teljesítmény elvesztése miatt.

Az FPGA mag vezérlőkártya áramköri rendszerének hőforrásának fenti elemzése alapján meg kell tenni a szükséges hőelvezetési intézkedéseket az FPGA mag vezérlőkártya számára a rendszer stabilitásának és megbízhatóságának javítása érdekében.

2. FPGA vezérlőkártya PCB hőelvezetési kialakítása
2.1 Teljesítményhűtés kialakítása

Az FPGA mag vezérlőkártya plusz 5v~b DC tápegységhez csatlakozik, amely lA vagy nagyobb áram biztosításához szükséges. A tápmodul az LT1ll7 LDO chipet választja, amely a plusz 5 V DC tápegységet a plusz 3,3 VVCCIO portfeszültségre és plusz 1,2 VVCCINT magfeszültségre alakítja, amelyet az EP3C5E144C7 fő vezérlő chip igényel. Az LT1117 egy kis SOT23 chipbe van csomagolva.

A fenti elemzésből tudható, hogy két LT1117 chipre van szükség ahhoz, hogy a tápáramkört úgy tervezzék meg, hogy az megfeleljen az FPGA által megkövetelt plusz 3,3 V és plusz 1,2 V tápellátási követelményeknek. A teljesítménymodul hőleadása a PCB tervezés során a következőképpen történik:

(1) Mivel a teljesítménymodulok bizonyos mennyiségű hőt termelnek, ha hosszú ideig működnek, tartson bizonyos távolságot a szomszédos tápegységek elhelyezésekor. Ha a távolság túl közel van, az nem kedvez a hőelvezetésnek. Kihelyezéskor állítsa a két LT11l7 LDO chip közötti távolságot 20 mm-re vagy nagyobbra.

(2) Végezzen külön rézbevonatkezelést azon a helyen, ahol az LT1117 LDO chip van elhelyezve, amely elősegíti a tápegység hőelvezetését.

(3) Ha szükséges, adjon hozzá egy hűtőbordát az LDO chiphez, hogy biztosítsa a tápmodul gyors hőelvezetését, és biztosítsa az FPGA chip normál tápellátását.

2.2 Hőelvezetés tervezésen keresztül

Helyezzen néhány hővezető fémes átmenőt az olyan alkatrészek aljára és közelébe, amelyek sok hőt termelnek a PCB-n. A hőelvezetés egy kis lyuk, amely áthatol a nyomtatott áramkörön, és az átmérője körülbelül 0,4–1 mm. . . A nyílás ne legyen túl nagy, és a nyílások közötti távolságot 1 mm és 1,2 mm között kell beállítani. Az átmenő lyukak áthatolnak a nyomtatott áramköri kártyán, így a nyomtatott kártya elülső oldalán lévő hő gyorsan átkerül a NYÁK hátoldalán lévő többi hőleadó rétegbe, és a fűtőfelületen lévő alkatrészek gyorsan lehűlnek, és hatékonyan növelhetik. a hőelvezetési területet és csökkenti a hőellenállást, növelve az áramköri lap sűrűségének teljesítményét.

2.3 FPGA chip hőelvezetéses kialakítás

Az FPGA chip hőjének fő forrása a dinamikus energiafogyasztás, mint például a magfeszültség és az I/O feszültségfogyasztás, a memória, a belső logika és a rendszer által generált energiafogyasztás, valamint a funkcionális modulok FPGA vezérlése (például videó). , audiomodulok stb.) áramot fog termelni Ezért szükség van az FPGA chipen a hő elvezetésére, mivel hő keletkezik. Az FPGA chip QFP csomagjának tervezésekor az FPGA chip közepére 4,5mmX4,5mm méretű rézfóliát helyeznek, és meghatározott számú hőleadó párnát terveznek, valamint hűtőbordák is adhatók hozzá ennek megfelelően tényleges igényekre.

2.4 Réz hőelvezetési tervezés

A PCB réz bevonat nemcsak javíthatja az áramkör interferencia-gátló képességét, hanem hatékonyan elősegítheti a PCB kártya hőelvezetését is. Az AltiumDesignerSummer09 szoftvert használó NYÁK-tervezésben általában kétféle rézburkolási módszer létezik, vagyis a nagy felületű rézburkolat és a rács alakú rézburkolat. A nagy felületű csíkos rézfólia hátránya, hogy a NYÁK lap hosszan tartó működése során sok hőt termel, ami miatt a szalagos rézfólia könnyen kitágul és leesik. Ezért, figyelembe véve a PCB jó hőelvezetési teljesítményét, a PCB rézburkolat tervezésénél rács alakú rézfóliát használnak, és a rácsot az áramkör földelő hálózatához csatlakoztatják, hogy javítsák az árnyékoló hatást és a hőelvezetési teljesítményt. rendszer.

A PCB-hőelvezetés tervezése kulcsfontosságú láncszem a PCB-lapok stabilitásának és megbízhatóságának biztosításához, és a hőelvezetési módszer megválasztása az elsődleges szempont, amelyet figyelembe kell venni. A specifikus hőelvezetési intézkedések tervezése és alkalmazása a PCB-hőelvezetés alapvető kérdése. Ebben a cikkben az FPGA magvezérlő kártya PCB-jének tervezésekor az FPGA vezérlőrendszer hőforrásának elemzése a kiindulópont, és a tényleges hőelvezetési követelményeknek megfelelően az FPGA vezérlőkártya teljesítménymodulja, a Az FPGA vezérlőchip, a hőelvezető átmenetek és a réz hőelvezetést tervezték. Az FPGA vezérlőpanel által elfogadott hőelvezetési módszer a praktikusság, az alacsony költség és a könnyű megvalósítás jellemzői.