עיצוב תרמי של לוח מעגל FPGA

עיצוב פיזור חום PCB של לוח בקרת ליבת FPGA

בשנים האחרונות, עם המזעור, האינטגרציה והמודולריזציה של מוצרים אלקטרוניים, גדלה צפיפות ההתקנה של רכיבים אלקטרוניים ושטח פיזור החום האפקטיבי ירד. לכן, העיצוב התרמי של רכיבים אלקטרוניים בעלי הספק גבוה ופיזור החום ברמת הלוח של לוחות מעגלים משכו את תשומת לבם של מהנדסי אלקטרוניקה. אחת הטכנולוגיות המרכזיות של האם מערכת בקרת FPGA יכולה לעבוד כרגיל היא פיזור החום של המערכת. מטרת התכנון התרמי של PCB היא לנקוט באמצעים ושיטות מתאימות להורדת הטמפרטורה של רכיבים ולוח PCB, כך שהמערכת תוכל לעבוד כרגיל בטמפרטורה מתאימה. למרות שישנם אמצעי פיזור חום רבים עבור PCB, יש צורך לשקול את הדרישות של עלות פיזור חום ואפשריות. במאמר זה, באמצעות ניתוח בעיות פיזור החום בפועל של לוח בקרת ליבת FPGA, מתבצע תכנון פיזור החום הדרוש עבור ה-PCB של לוח הבקרה של FPGA, כך שללוח הבקרה של FPGA יש ביצועי פיזור חום טובים בעת עבודה .

1. לוח בקרה FPGA ופיזור חום
תכנן לוח בקרה ליבת FPGA ליישומי הוראה ומחקר מדעי, המורכב בעיקר משבב הבקרה הראשי FPGA, +3.3V ו-+1.2V מעגלי אספקת חשמל, מעגל שעון 50MHz, מעגל איפוס, JTAG ומעגל ממשק הורדה AS, זיכרון SRAM ו-I/O המובילים את הממשק וחלקים אחרים. שבב הבקרה הראשי FPGA מאמץ את EP3C5E144C7 בחבילת QFP מסדרת CycloneIII של חברת Altera. המבנה של מערכת לוח הבקרה הליבה של FPGA מוצג באיור 1.

איור 1 ארכיטקטורת מערכת לוח הבקרה של ליבת FPGA

מקורות החום העיקריים בלוח הבקרה של ליבת FPGA הם:

(1) לוח הבקרה דורש ספקי כוח שונים כגון +5V, +3.3V ו-+1.2V. מודול הכוח מייצר חום רב כשהוא עובד לאורך זמן. אם לא יינקטו אמצעי קירור יעילים, מודול החשמל יתחמם ולא יוכל לעבוד כרגיל.

(2) תדר השעון FPGA של לוח הבקרה הוא 50MHz, וצפיפות החיווט של PCB גבוהה. עם הגדלת שילוב המערכת, צריכת החשמל של המערכת גבוהה יחסית, ויש לנקוט באמצעי פיזור חום הכרחיים עבור שבב FPGA.

(3) המצע של ה-PCB עצמו מייצר חום, ומוליך הנחושת הוא אחד מחומרי הדפוס הבסיסיים של ה-PCB. ההתנגדות של קו הקורוזיה מצופה מוליך נחושת עצמו מחוממת עקב אובדן כוח זרם החילופין.

בהתבסס על הניתוח לעיל של מקור החום של מערכת המעגל של לוח בקרת הליבה FPGA, יש צורך לנקוט באמצעי פיזור חום הדרושים עבור לוח בקרת הליבה של FPGA כדי לשפר את היציבות והאמינות של המערכת.

2. עיצוב פיזור חום PCB של לוח בקרה FPGA
2.1 עיצוב קירור כוח

לוח הבקרה של ליבת FPGA מחובר לספק כוח +5v~b DC, אשר נדרש לספק זרם של lA ומעלה. מודול הכוח בוחר בשבב LDO LT1ll7, הממיר את ספק הכוח +5V DC למתח היציאות +3.3VVCCIO ומתח הליבה +1.2VVCCINT הנדרש על ידי שבב הבקרה הראשי EP3C5E144C7. ה-LT1117 ארוז בשבב SOT23 קטן.

באמצעות הניתוח שלעיל, ניתן לדעת שנדרשים שני שבבי LT1117 כדי לתכנן את מעגל החשמל כך שיעמוד בדרישות אספקת החשמל של +3.3V ו-+1.2V הנדרשות על ידי ה-FPGA. פיזור החום של מודול הכוח מטופל באופן הבא במהלך תכנון PCB:

(1) מכיוון שמודולי הכוח ייצרו כמות מסוימת של חום כשהם עובדים במשך זמן רב, שמור על מרחק מסוים בעת פריסת מודולי חשמל סמוכים. אם המרחק קרוב מדי, הוא אינו תורם לפיזור חום. בעת הפריסה, הגדר את המרחק בין שני שבבי LDO LT11l7 ל-20 מ"מ או יותר.

(2) בצע טיפול נפרד בציפוי נחושת במיקום שבו ממוקם שבב LDO LT1117, דבר המסייע לפיזור חום של ספק הכוח.

(3) במידת הצורך, הוסף גוף קירור לשבב LDO כדי להבטיח פיזור חום מהיר של מודול הכוח ולספק אספקת חשמל רגילה לשבב FPGA.

2.2 פיזור חום באמצעות עיצוב

הנח כמה דרך מתכת מוליכת חום בתחתית ובסמוך לרכיבים שיוצרים הרבה חום על ה-PCB. פיזור החום דרך הוא חור קטן שחודר ל-PCB, והקוטר הוא בערך 0.4 מ"מ עד 1 מ"מ. . . הצמצם לא צריך להיות גדול מדי, ויש להגדיר את המרחק בין הצינורות ל-1 מ"מ עד 1.2 מ"מ. חורי המעבר חודרים למעגל המודפס, כך שהחום בחזית הלוח המודפס מועבר במהירות לשכבות פיזור חום אחרות לאורך החלק האחורי של ה-PCB, והרכיבים על משטח החימום מתקררים במהירות, ויכולים להגדיל ביעילות אזור פיזור החום ולהפחית את ההתנגדות התרמית, להגדיל את הכוח של צפיפות המעגל.

תכנון פיזור חום של שבב FPGA 2.3

המקור העיקרי לחום שבב FPGA הוא צריכת חשמל דינמית, כגון צריכת חשמל במתח ליבה וצריכת חשמל של מתח קלט/פלט, צריכת חשמל שנוצרת על ידי זיכרון, לוגיקה פנימית והמערכת, ובקרת FPGA של המודולים הפונקציונליים שלה (כגון וידאו) , מודולי אודיו וכו') ייצרו חשמל לכן, יש צורך לפזר חום על שבב FPGA עם יצירת חום. בתכנון חבילת ה-QFP של שבב FPGA מתווסף למרכז שבב ה-FPGA רדיד נחושת בגודל 4.5 מ"מX4.5 מ"מ ומתוכננים מספר מסוים של רפידות פיזור חום וניתן להוסיף גם גופי קירור בהתאם. לצרכים בפועל.

2.4 עיצוב פיזור חום נחושת

ציפוי נחושת PCB יכול לא רק לשפר את יכולת האנטי-הפרעות של המעגל, אלא גם לקדם ביעילות את פיזור החום של לוח ה-PCB. יש בדרך כלל שתי שיטות לחיפוי נחושת בתכנון PCB באמצעות תוכנת AltiumDesignerSummer09, כלומר חיפוי נחושת בשטח גדול וחיפוי נחושת בצורת רשת. החיסרון של רדיד נחושת בשטח גדול הוא שלוח ה-PCB יפיק חום רב כשהוא עובד לאורך זמן, מה שהופך את רדיד הנחושת לרצועה קלה להרחבה וליפול. לכן, בהתחשב בביצועי פיזור החום הטובים של PCB, נעשה שימוש ברדיד נחושת בצורת רשת בתכנון של חיפוי נחושת PCB, והרשת מחוברת לרשת ההארקה של המעגל כדי לשפר את אפקט המיגון ואת ביצועי פיזור החום של ה-PCB. מַעֲרֶכֶת.

עיצוב פיזור חום PCB הוא חוליה מרכזית להבטחת היציבות והאמינות של לוחות PCB, והבחירה בשיטת פיזור החום היא הגורם העיקרי שיש לקחת בחשבון. התכנון והיישום של אמצעי פיזור חום ספציפיים הם נושא הליבה של פיזור חום PCB. במאמר זה, בעת תכנון ה-PCB של לוח הבקרה הליבה FPGA, ניתוח מקור החום של מערכת בקרת FPGA הוא נקודת ההתחלה, ובהתאם לדרישות פיזור החום בפועל, מודול הכוח של לוח הבקרה FPGA, שבב בקרת FPGA, צינורות פיזור החום ופיזור חום הנחושת מתוכננים. לשיטת פיזור החום שאומצה על ידי לוח הבקרה של FPGA יש את המאפיינים של מעשיות, עלות נמוכה ומימוש קל.