Тепловой расчет печатной платы FPGA

Конструкция рассеивания тепла на печатной плате платы управления ядром FPGA

В последние годы с миниатюризацией, интеграцией и модульностью электронных изделий плотность установки электронных компонентов увеличилась, а эффективная площадь рассеивания тепла уменьшилась. Поэтому тепловой расчет мощных электронных компонентов и теплоотвод печатных плат на уровне платы привлекли внимание инженеров-электронщиков. Одной из ключевых технологий того, сможет ли система управления FPGA нормально работать, является отвод тепла от системы. Целью теплового проектирования печатной платы является принятие соответствующих мер и методов для снижения температуры компонентов и платы печатной платы, чтобы система могла нормально работать при соответствующей температуре. Несмотря на то, что существует множество мер по отводу тепла от печатных плат, необходимо учитывать требования к стоимости и практичности отвода тепла. В этой статье посредством анализа реальных проблем рассеивания тепла на основной плате управления FPGA выполняется необходимая конструкция рассеивания тепла для печатной платы платы управления FPGA, чтобы плата управления FPGA имела хорошие характеристики рассеивания тепла при работе. .

1. Плата управления FPGA и рассеивание тепла.
Разработайте основную плату управления FPGA для учебных и научных исследований, которая в основном состоит из основной микросхемы управления FPGA, цепей питания 3,3 В и 1,2 В, тактовой схемы 50 МГц, схемы сброса, схемы интерфейса загрузки JTAG и AS, памяти SRAM. и ввод-вывод. Вывод интерфейса и других частей. Основная управляющая микросхема FPGA использует EP3C5E144C7 в пакете QFP серии CycloneIII компании Altera. Структура основной системы платы управления FPGA показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Архитектура системы базовой платы управления FPGA.

Основными источниками тепла на плате управления ядром FPGA являются:

(1) Плате управления требуются различные источники питания, например, плюс 5 В, плюс 3,3 В и плюс 1,2 В. Модуль питания выделяет много тепла при длительной работе. Если не принять эффективные меры по охлаждению, модуль питания нагреется и не сможет нормально работать.

(2) Тактовая частота FPGA платы управления составляет 50 МГц, а плотность проводки печатной платы высокая. С ростом системной интеграции энергопотребление системы становится относительно высоким, и для чипа FPGA необходимо принять необходимые меры по отводу тепла.

(3) Подложка самой печатной платы генерирует тепло, а медный проводник является одним из основных формовочных материалов печатной платы. Сопротивление самой коррозионной линии с медным проводником нагревается из-за потери мощности переменного тока.

На основании приведенного выше анализа источника тепла схемной системы платы управления ядром FPGA необходимо принять необходимые меры по рассеиванию тепла для платы управления ядром FPGA, чтобы улучшить стабильность и надежность системы.

2. Конструкция тепловыделения печатной платы платы управления FPGA.
2.1 Конструкция мощного охлаждения

Плата управления ядром FPGA подключена к источнику питания постоянного тока напряжением 5 В~b, который необходим для обеспечения тока 1 А или выше. В модуле питания используется микросхема LDO LT1ll7, которая преобразует напряжение постоянного тока плюс 5 В в напряжение порта плюс 3,3 ВVCCIO и напряжение ядра 1,2 ВVCCINT, необходимое для основной микросхемы управления EP3C5E144C7. LT1117 упакован в небольшой чип SOT23.

Благодаря приведенному выше анализу стало известно, что для разработки схемы питания необходимы две микросхемы LT1117, отвечающие требованиям к источнику питания плюс 3,3 В и плюс 1,2 В, требуемым FPGA. При проектировании печатной платы отвод тепла от силового модуля осуществляется следующим образом:

(1) Поскольку силовые модули при длительной работе выделяют определенное количество тепла, соблюдайте определенное расстояние при расположении соседних силовых модулей. Если расстояние слишком близко, это не способствует рассеиванию тепла. При прокладке установите расстояние между двумя LDO-микросхемами LT11l7 20 мм и более.

(2) Выполните отдельную обработку медным покрытием в месте установки чипа LDO LT1117, что способствует рассеиванию тепла от источника питания.

(3) При необходимости добавьте радиатор к чипу LDO, чтобы обеспечить быстрый отвод тепла от модуля питания и обеспечить нормальное питание чипа FPGA.

2.2 Отвод тепла за счет конструкции

Разместите несколько теплопроводящих металлизированных переходных отверстий внизу и рядом с компонентами, которые выделяют много тепла на печатной плате. Отвод тепла представляет собой небольшое отверстие, проникающее в печатную плату, диаметром от 0,4–1 мм. . . Апертура не должна быть слишком большой, а расстояние между переходными отверстиями должно составлять от 1 мм до 1,2 мм. Сквозные отверстия проникают в печатную плату, поэтому тепло на передней части печатной платы быстро передается другим слоям рассеивания тепла вдоль задней части печатной платы, а компоненты на нагревательной поверхности быстро охлаждаются и могут эффективно увеличивать площадь рассеивания тепла и уменьшить тепловое сопротивление, увеличивая мощность плотности печатной платы.

2.3 Конструкция рассеивания тепла чипа FPGA

Основным источником тепла чипа FPGA является динамическое энергопотребление, такое как потребляемая мощность напряжения ядра и потребляемая мощность напряжения ввода-вывода, потребляемая мощность, генерируемая памятью, внутренней логикой и системой, а также управление FPGA ее функциональными модулями (например, видео , аудиомодули и т. д.) будут генерировать электроэнергию. Поэтому необходимо рассеивать тепло на чипе FPGA по мере его выделения. При разработке корпуса QFP чипа FPGA в центр чипа FPGA добавляется медная фольга размером 4,5x4,5 мм, а также проектируется определенное количество площадок для отвода тепла, а также могут быть добавлены радиаторы в соответствии с реальным потребностям.

2.4 Конструкция медного теплоотвода

Медное покрытие печатной платы может не только улучшить помехоустойчивость схемы, но и эффективно способствовать рассеиванию тепла с печатной платы. Обычно существует два метода медной оболочки при проектировании печатных плат с использованием программного обеспечения AltiumDesignerSummer09: медная оболочка большой площади и медная оболочка в форме сетки. Недостатком полосовой медной фольги большой площади является то, что печатная плата будет выделять много тепла при длительной работе, из-за чего полосовая медная фольга легко расширяется и отваливается. Поэтому, учитывая хорошие характеристики рассеяния тепла печатной платы, в конструкции медной оболочки печатной платы используется медная фольга в форме сетки, а сетка подключается к сети заземления схемы для улучшения эффекта экранирования и эффективности рассеивания тепла. система.

Конструкция отвода тепла от печатной платы является ключевым звеном в обеспечении стабильности и надежности печатных плат, а выбор метода отвода тепла является основным фактором, который следует учитывать. Разработка и применение специальных мер по отводу тепла является основной проблемой рассеивания тепла на печатных платах. В этой статье при проектировании печатной платы основной платы управления FPGA анализ источника тепла системы управления FPGA является отправной точкой, и в соответствии с фактическими требованиями к рассеиванию тепла модуль питания платы управления FPGA, Разработаны микросхема управления FPGA, отверстия для отвода тепла и медный теплоотвод. Метод отвода тепла, используемый платой управления FPGA, отличается практичностью, низкой стоимостью и простотой реализации.