Μια ολοκληρωμένη επισκόπηση του θερμικού σχεδιασμού FPGA
Για να λειτουργήσει οποιοδήποτε τσιπ, πρέπει να πληροί ένα εύρος θερμοκρασίας. Αυτή η θερμοκρασία αναφέρεται στη θερμοκρασία στο τσιπ πυριτίου, η οποία συνήθως ονομάζεται θερμοκρασία διασταύρωσης.
Το FPGA της ALTERA χωρίζεται σε δύο τύπους: εμπορικής ποιότητας (εμπορική) και βιομηχανικής ποιότητας (βιομηχανική). Το εύρος θερμοκρασίας σύνδεσης των τσιπ εμπορικής ποιότητας που μπορούν να λειτουργήσουν κανονικά είναι 0~85 βαθμοί Κελσίου, ενώ το εύρος των τσιπ βιομηχανικής ποιότητας είναι -40~100 βαθμοί Κελσίου. Στο πραγματικό κύκλωμα, πρέπει να διασφαλίσουμε ότι η θερμοκρασία σύνδεσης του τσιπ είναι εντός του αποδεκτού εύρους.
Καθώς η κατανάλωση ενέργειας του τσιπ αυξάνεται, όλο και περισσότερη θερμότητα θα παράγεται κατά τη διάρκεια της εργασίας. Εάν θέλετε να διατηρήσετε τη θερμοκρασία σύνδεσης του τσιπ εντός του κανονικού εύρους, πρέπει να ακολουθήσετε ορισμένες μεθόδους για να διαχέετε γρήγορα τη θερμότητα που παράγεται από το τσιπ στο περιβάλλον.
Όποιος έχει σπουδάσει φυσική στο γυμνάσιο γνωρίζει ότι υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι μεταφοράς θερμότητας, δηλαδή η αγωγή, η συναγωγή και η ακτινοβολία, και αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται επίσης από τα τσιπ για να διαχέουν τη θερμότητα προς τα έξω.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα απλοποιημένο μοντέλο απαγωγής θερμότητας από τσιπ. Η θερμότητα που παράγεται από το τσιπ στο σχήμα μεταδίδεται κυρίως στην εξωτερική συσκευασία του τσιπ. Εάν δεν υπάρχει ψύκτρα συνδεδεμένη, θα διαχέεται απευθείας από το κέλυφος της συσκευασίας του τσιπ στο περιβάλλον. Εάν προστεθεί ψύκτρα, η θερμότητα θα μεταδοθεί από την εξωτερική συσκευασία του τσιπ μέσω της κόλλας της ψύκτρας. στην ψύκτρα και μετά στο περιβάλλον μέσω της ψύκτρας. Σε γενικές γραμμές, η επιφάνεια της ψύκτρας είναι αρκετά μεγάλη και η επιφάνεια επαφής με τον αέρα είναι μεγάλη, γεγονός που ευνοεί τη μεταφορά θερμότητας. Έχει βρεθεί στη συνήθη πρακτική ότι οι περισσότερες από τις ψύκτρες είναι μαύρες, επειδή τα μαύρα αντικείμενα είναι εύκολο να εκπέμπουν θερμότητα προς τα έξω, κάτι που επίσης ευνοεί την απαγωγή της θερμότητας προς τα έξω. Και όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του ανέμου στην επιφάνεια της ψύκτρας, τόσο καλύτερη είναι η διάχυση της θερμότητας.
Απλοποιημένο μοντέλο ροής θερμότητας τσιπ
Επιπλέον, μια μικρή ποσότητα θερμότητας διοχετεύεται στις σφαίρες συγκόλλησης του τσιπ μέσω του υποστρώματος του τσιπ και στη συνέχεια διαχέει τη θερμότητα στο περιβάλλον μέσω του PCB. Δεδομένου ότι η αναλογία αυτού του μέρους της θερμότητας είναι σχετικά μικρή, αυτό το μέρος αγνοείται όταν συζητάμε τη θερμική αντίσταση της συσκευασίας των τσιπ και της ψύκτρας παρακάτω.
Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να κατανοήσουμε την έννοια της "θερμικής αντίστασης". Η θερμική αντίσταση περιγράφει την ικανότητα ενός αντικειμένου να μεταφέρει τη θερμότητα. Όσο μικρότερη είναι η θερμική αντίσταση, τόσο καλύτερη είναι η θερμική αγωγιμότητα και αντίστροφα. Αυτό μοιάζει κάπως με την έννοια της αντίστασης.
Από τη θερμική αντίσταση του τσιπ πυριτίου του τσιπ στο περιβάλλον, υποθέτοντας ότι όλη η θερμότητα τελικά διαχέεται στο περιβάλλον από την ψύκτρα, μπορεί να ληφθεί ένα απλό μοντέλο θερμικής αντίστασης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:
Μοντέλο ψύξης τσιπ με ψύκτρα
Η συνολική θερμική αντίσταση από τη μήτρα στο περιβάλλον ονομάζεται JA, επομένως ικανοποιεί:
JA=JC plus CS plus SA
Το JC αναφέρεται στη θερμική αντίσταση από το τσιπ στην εξωτερική συσκευασία, η οποία παρέχεται γενικά από τον προμηθευτή τσιπ. Το CS αναφέρεται στη θερμική αντίσταση από την εξωτερική συσκευασία του τσιπ στην ψύκτρα. Εάν η ψύκτρα είναι προσαρτημένη στην επιφάνεια του τσιπ με θερμική αγώγιμη κόλλα, αυτή η θερμική αντίσταση καθοδηγεί τη θερμική κόλλα. Η θερμική αντίσταση παρέχεται γενικά από τον προμηθευτή της θερμικής αγώγιμης κόλλας. Η SA αναφέρεται στη θερμική αντίσταση από την ψύκτρα στο περιβάλλον, η οποία δίνεται γενικά από τον κατασκευαστή της ψύκτρας. Αυτή η θερμική αντίσταση μειώνεται με την αύξηση της ταχύτητας του ανέμου και ο κατασκευαστής συνήθως δίνονται οι τιμές θερμικής αντίστασης σε διαφορετικές ταχύτητες ανέμου.
Η ίδια η συσκευασία του τσιπ λειτουργεί ως ψύκτρα. Εάν το τσιπ δεν έχει ψύκτρα, το JA είναι η θερμική αντίσταση του τσιπ πυριτίου στο περιβάλλον μετά τη συσκευασία. Αυτή η τιμή είναι προφανώς μεγαλύτερη από την τιμή JA με μια ψύκτρα. Αυτή η τιμή εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της συσκευασίας του ίδιου του τσιπ και παρέχεται γενικά από τον κατασκευαστή του τσιπ.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει τη θερμική αντίσταση της συσκευασίας για τη συσκευή STRATIX IV της ALTERA. Δίνει την τιμή JA του τσιπ σε διάφορες ταχύτητες ανέμου και αυτές οι τιμές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της κατάστασης χωρίς ψύκτρα. Επιπλέον, το JC χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της συνολικής τιμής JA με ψύκτρα.
Θερμική αντίσταση πακέτων συσκευών Stratix iv
Υποθέτοντας ότι η ισχύς που καταναλώνεται από το τσιπ πυριτίου είναι P, τότε:
TJ (θερμοκρασία διασταύρωσης)=TA συν P*JA
Είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι το TJ δεν μπορεί να υπερβεί τη μέγιστη θερμοκρασία σύνδεσης που επιτρέπεται από το τσιπ και στη συνέχεια να υπολογίσετε τη μέγιστη επιτρεπόμενη απαίτηση για JA σύμφωνα με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και την πραγματική ισχύ που καταναλώνεται από το τσιπ.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA (θερμοκρασία περιβάλλοντος)
Εάν το JA του ίδιου του πακέτου τσιπ είναι μεγαλύτερο από αυτήν την τιμή, είναι απαραίτητο να εξετάσετε το ενδεχόμενο προσθήκης μιας κατάλληλης συσκευής απαγωγής θερμότητας στο τσιπ για να μειώσετε την πραγματική τιμή JA από το τσιπ στο περιβάλλον και να αποτρέψετε την υπερθέρμανση του τσιπ.
Σε ένα πραγματικό σύστημα, μέρος της θερμότητας θα διαχέεται επίσης από το PCB. Εάν το PCB έχει πολλά στρώματα και μεγάλη επιφάνεια, είναι επίσης πολύ ευνοϊκό για την απαγωγή θερμότητας.
