Θερμική σχεδίαση πλακέτας κυκλώματος FPGA
Σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας PCB του πίνακα ελέγχου πυρήνα FPGA
Τα τελευταία χρόνια, με τη σμίκρυνση, την ενσωμάτωση και τη διαμόρφωση των ηλεκτρονικών προϊόντων, η πυκνότητα εγκατάστασης των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων έχει αυξηθεί και η αποτελεσματική περιοχή απαγωγής θερμότητας έχει μειωθεί. Ως εκ τούτου, ο θερμικός σχεδιασμός ηλεκτρονικών εξαρτημάτων υψηλής ισχύος και η απαγωγή θερμότητας σε επίπεδο πλακέτας των πλακών κυκλωμάτων έχουν προσελκύσει την προσοχή των ηλεκτρονικών μηχανικών. Μία από τις βασικές τεχνολογίες για το εάν το σύστημα ελέγχου FPGA μπορεί να λειτουργήσει κανονικά είναι η απαγωγή θερμότητας του συστήματος. Σκοπός του θερμικού σχεδιασμού PCB είναι η λήψη κατάλληλων μέτρων και μεθόδων για τη μείωση της θερμοκρασίας των εξαρτημάτων και της πλακέτας PCB, έτσι ώστε το σύστημα να μπορεί να λειτουργεί κανονικά σε κατάλληλη θερμοκρασία. Αν και υπάρχουν πολλά μέτρα απαγωγής θερμότητας για PCB, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι απαιτήσεις του κόστους και της πρακτικότητας απαγωγής θερμότητας. Σε αυτή την εργασία, μέσω της ανάλυσης των πραγματικών προβλημάτων απαγωγής θερμότητας της πλακέτας ελέγχου πυρήνα FPGA, πραγματοποιείται ο απαραίτητος σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας για το PCB της πλακέτας ελέγχου FPGA, έτσι ώστε η πλακέτα ελέγχου FPGA να έχει καλή απόδοση απαγωγής θερμότητας κατά την εργασία. .
1. Πίνακας ελέγχου FPGA και απαγωγή θερμότητας
Σχεδιάστε μια πλακέτα ελέγχου πυρήνα FPGA για εφαρμογές διδασκαλίας και επιστημονικής έρευνας, η οποία αποτελείται κυρίως από κύριο τσιπ ελέγχου FPGA, συν κυκλώματα τροφοδοσίας 3,3 V και συν 1,2 V, κύκλωμα ρολογιού 50 MHz, κύκλωμα επαναφοράς, κύκλωμα διασύνδεσης λήψης JTAG και AS, μνήμη SRAM και I/O Καθοδήγηση της διεπαφής και άλλων εξαρτημάτων. Το κύριο τσιπ ελέγχου FPGA υιοθετεί το EP3C5E144C7 στο πακέτο QFP της σειράς CycloneIII της Altera Company. Η δομή του συστήματος πλακέτας ελέγχου πυρήνα FPGA φαίνεται στο Σχήμα 1.
Εικόνα 1 Αρχιτεκτονική συστήματος πλακέτας ελέγχου πυρήνα FPGA
Οι κύριες πηγές θερμότητας στο PCB της πλακέτας ελέγχου πυρήνα FPGA είναι:
(1) Η πλακέτα ελέγχου απαιτεί διάφορα τροφοδοτικά όπως συν 5V, συν 3,3V και συν 1,2V. Η μονάδα ισχύος παράγει πολλή θερμότητα όταν λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Εάν δεν ληφθούν αποτελεσματικά μέτρα ψύξης, η μονάδα ισχύος θα ζεσταθεί και δεν μπορεί να λειτουργήσει κανονικά.
(2) Η συχνότητα ρολογιού FPGA της πλακέτας ελέγχου είναι 50 MHz και η πυκνότητα καλωδίωσης PCB είναι υψηλή. Με την αύξηση της ολοκλήρωσης του συστήματος, η κατανάλωση ενέργειας του συστήματος είναι σχετικά υψηλή και πρέπει να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα απαγωγής θερμότητας για το τσιπ FPGA.
(3) Το ίδιο το υπόστρωμα του PCB παράγει θερμότητα και ο χάλκινος αγωγός είναι ένα από τα βασικά υλικά χύτευσης του PCB. Η αντίσταση της ίδιας της γραμμής διάβρωσης με επικάλυψη χάλκινου αγωγού θερμαίνεται λόγω της απώλειας της ισχύος εναλλασσόμενου ρεύματος.
Με βάση την παραπάνω ανάλυση της πηγής θερμότητας του συστήματος κυκλώματος της πλακέτας ελέγχου πυρήνα FPGA, είναι απαραίτητο να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα απαγωγής θερμότητας για την πλακέτα ελέγχου πυρήνα FPGA για τη βελτίωση της σταθερότητας και της αξιοπιστίας του συστήματος.
2. Σχέδιο απαγωγής θερμότητας PCB του πίνακα ελέγχου FPGA
2.1 Σχεδιασμός τροφοδοσίας ψύξης
Η πλακέτα ελέγχου πυρήνα FPGA είναι συνδεδεμένη σε τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος συν 5v~b, το οποίο απαιτείται για την παροχή ρεύματος lA ή μεγαλύτερο. Η μονάδα ισχύος επιλέγει το τσιπ LDO LT1ll7, το οποίο μετατρέπει την τροφοδοσία ρεύματος συν 5 V DC στην τάση θύρας συν 3,3 VVCCIO και στην τάση πυρήνα συν 1,2 VVCCINT που απαιτείται από το κύριο τσιπ ελέγχου EP3C5E144C7. Το LT1117 είναι συσκευασμένο σε ένα μικρό τσιπ SOT23.
Μέσω της παραπάνω ανάλυσης, μπορεί να γίνει γνωστό ότι χρειάζονται δύο τσιπ LT1117 για να σχεδιαστεί το κύκλωμα ισχύος ώστε να πληροί τις απαιτήσεις τροφοδοσίας συν 3,3 V και συν 1,2 V που απαιτούνται από το FPGA. Η απαγωγή θερμότητας της μονάδας ισχύος αντιμετωπίζεται ως εξής κατά τη σχεδίαση PCB:
(1) Επειδή οι μονάδες ισχύος θα παράγουν μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας όταν λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα, κρατήστε μια συγκεκριμένη απόσταση όταν τοποθετείτε γειτονικές μονάδες ισχύος. Εάν η απόσταση είναι πολύ κοντά, δεν ευνοεί την απαγωγή θερμότητας. Κατά την τοποθέτηση, ρυθμίστε την απόσταση μεταξύ των δύο τσιπ LDO LT11l7 σε 20 mm ή περισσότερο.
(2) Πραγματοποιήστε ξεχωριστή επεξεργασία επίστρωσης χαλκού στη θέση όπου είναι τοποθετημένο το τσιπ LDO LT1117, το οποίο ευνοεί την απαγωγή θερμότητας του τροφοδοτικού.
(3) Εάν είναι απαραίτητο, προσθέστε μια ψύκτρα στο τσιπ LDO για να διασφαλίσετε την ταχεία απαγωγή θερμότητας της μονάδας ισχύος και να παρέχετε κανονική τροφοδοσία ρεύματος για το τσιπ FPGA.
2.2 Απαγωγή θερμότητας μέσω σχεδίασης
Τοποθετήστε μερικές θερμοαγώγιμες επιμεταλλωμένες οπές στο κάτω μέρος και κοντά σε εξαρτήματα που παράγουν πολλή θερμότητα στο PCB. Η διάχυση θερμότητας μέσω είναι μια μικρή οπή που διαπερνά το PCB και η διάμετρος είναι περίπου 0,4mm έως 1mm. . . Το άνοιγμα δεν πρέπει να είναι πολύ μεγάλο και η απόσταση μεταξύ των θυρίδων πρέπει να ρυθμιστεί από 1 mm έως 1,2 mm. Οι οπές διέλευσης διεισδύουν στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, έτσι ώστε η θερμότητα στο μπροστινό μέρος της τυπωμένης πλακέτας να μεταδίδεται γρήγορα σε άλλα στρώματα απαγωγής θερμότητας κατά μήκος του πίσω μέρους του PCB και τα εξαρτήματα στην επιφάνεια θέρμανσης να ψύχονται γρήγορα και να μπορούν να αυξηθούν αποτελεσματικά την περιοχή απαγωγής θερμότητας και μειώνουν τη θερμική αντίσταση, αυξάνοντας την ισχύ της πυκνότητας της πλακέτας κυκλώματος.
2.3 Σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας τσιπ FPGA
Η κύρια πηγή θερμότητας του τσιπ FPGA είναι η δυναμική κατανάλωση ενέργειας, όπως η κατανάλωση ισχύος βασικής τάσης και η κατανάλωση ισχύος τάσης I/O, η κατανάλωση ενέργειας που παράγεται από τη μνήμη, την εσωτερική λογική και το σύστημα και ο έλεγχος FPGA των λειτουργικών μονάδων του (όπως βίντεο , μονάδες ήχου, κ.λπ.) θα παράγουν ισχύ Επομένως, είναι απαραίτητο να διαχέεται θερμότητα στο τσιπ FPGA καθώς παράγεται θερμότητα. Κατά το σχεδιασμό της συσκευασίας QFP του τσιπ FPGA, ένα φύλλο χαλκού με μέγεθος 4,5mmX4,5mm προστίθεται στο κέντρο του τσιπ FPGA και σχεδιάζεται ένας συγκεκριμένος αριθμός μαξιλαριών απαγωγής θερμότητας και μπορούν επίσης να προστεθούν ψύκτρες θερμότητας σύμφωνα με στις πραγματικές ανάγκες.
2.4 Σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας από χαλκό
Η επίστρωση χαλκού PCB όχι μόνο μπορεί να βελτιώσει την ικανότητα κατά των παρεμβολών του κυκλώματος, αλλά και να προωθήσει αποτελεσματικά τη διάχυση θερμότητας της πλακέτας PCB. Υπάρχουν γενικά δύο μέθοδοι επένδυσης χαλκού στο σχεδιασμό PCB χρησιμοποιώντας το λογισμικό AltiumDesignerSummer09, δηλαδή, επένδυση από χαλκό μεγάλης επιφάνειας και επένδυση χαλκού σε σχήμα πλέγματος. Το μειονέκτημα του φύλλου χαλκού μεγάλης επιφάνειας είναι ότι η πλακέτα PCB θα παράγει πολλή θερμότητα όταν λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, γεγονός που καθιστά το φύλλο χαλκού ταινίας εύκολο να διογκωθεί και να πέσει. Επομένως, λαμβάνοντας υπόψη την καλή απόδοση απαγωγής θερμότητας του PCB, χρησιμοποιείται ένα φύλλο χαλκού σε σχήμα πλέγματος στο σχεδιασμό της επένδυσης χαλκού PCB και το πλέγμα συνδέεται με το δίκτυο γείωσης του κυκλώματος για να βελτιωθεί η επίδραση θωράκισης και η απόδοση απαγωγής θερμότητας του Σύστημα.
Ο σχεδιασμός απαγωγής θερμότητας PCB είναι ένας βασικός σύνδεσμος για τη διασφάλιση της σταθερότητας και της αξιοπιστίας των πλακών PCB και η επιλογή της μεθόδου απαγωγής θερμότητας είναι ο πρωταρχικός παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη. Ο σχεδιασμός και η εφαρμογή ειδικών μέτρων απαγωγής θερμότητας είναι το βασικό ζήτημα της απαγωγής θερμότητας PCB. Σε αυτό το άρθρο, κατά το σχεδιασμό του PCB της πλακέτας ελέγχου πυρήνα FPGA, η ανάλυση της πηγής θερμότητας του συστήματος ελέγχου FPGA είναι το σημείο εκκίνησης και σύμφωνα με τις πραγματικές απαιτήσεις απαγωγής θερμότητας, η μονάδα ισχύος της πλακέτας ελέγχου FPGA, η Το τσιπ ελέγχου FPGA, οι διόδους απαγωγής θερμότητας και η απαγωγή θερμότητας από χαλκό έχουν σχεδιαστεί. Η μέθοδος απαγωγής θερμότητας που υιοθετείται από τον πίνακα ελέγχου FPGA έχει τα χαρακτηριστικά της πρακτικότητας, του χαμηλού κόστους και της εύκολης υλοποίησης.
