Diseño térmico de la placa de circuito FPGA

Diseño de disipación de calor de PCB de placa de control central FPGA

En los últimos años, con la miniaturización, integración y modularización de productos electrónicos, la densidad de instalación de componentes electrónicos ha aumentado y el área efectiva de disipación de calor ha disminuido. Por lo tanto, el diseño térmico de los componentes electrónicos de alta potencia y la disipación de calor a nivel de placa de circuito han atraído la atención de los ingenieros electrónicos. Una de las tecnologías clave para determinar si el sistema de control FPGA puede funcionar normalmente es la disipación de calor del sistema. El propósito del diseño térmico de PCB es tomar medidas y métodos apropiados para reducir la temperatura de los componentes y la placa de PCB, de modo que el sistema pueda funcionar normalmente a una temperatura adecuada. Aunque existen muchas medidas de disipación de calor para PCB, es necesario considerar los requisitos de costo y viabilidad de la disipación de calor. En este artículo, a través del análisis de los problemas reales de disipación de calor de la placa de control central FPGA, se lleva a cabo el diseño de disipación de calor necesario para la PCB de la placa de control FPGA, de modo que la placa de control FPGA tenga un buen rendimiento de disipación de calor cuando esté en funcionamiento. .

1. Tablero de control FPGA y disipación de calor.
Diseñe una placa de control central FPGA para aplicaciones de enseñanza e investigación científica, que se compone principalmente del chip de control principal FPGA, circuitos de fuente de alimentación +3.3V y +1.2V, circuito de reloj de 50MHz, circuito de reinicio, JTAG y circuito de interfaz de descarga AS, memoria SRAM y E/S que conducen a la interfaz y otras partes. El chip de control principal FPGA adopta EP3C5E144C7 en el paquete QFP de la serie CycloneIII de Altera Company. La estructura del sistema de placa de control central FPGA se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Arquitectura del sistema de placa de control central FPGA

Las principales fuentes de calor en la PCB de la placa de control central FPGA son:

(1) El tablero de control requiere varias fuentes de alimentación, como +5V, +3.3V y +1.2V. El módulo de potencia produce mucho calor cuando funciona durante mucho tiempo. Si no se toman medidas de enfriamiento efectivas, el módulo de alimentación se calentará y no podrá funcionar normalmente.

(2) La frecuencia de reloj FPGA de la placa de control es de 50 MHz y la densidad del cableado de la PCB es alta. Con el aumento de la integración del sistema, el consumo de energía del sistema es relativamente alto y se deben tomar las medidas necesarias de disipación de calor para el chip FPGA.

(3) El sustrato de la PCB genera calor y el conductor de cobre es uno de los materiales de moldeo básicos de la PCB. La resistencia de la propia línea de corrosión recubierta de conductor de cobre se calienta debido a la pérdida de corriente alterna.

Según el análisis anterior de la fuente de calor del sistema de circuito de la placa de control central FPGA, es necesario tomar las medidas de disipación de calor necesarias para que la placa de control central FPGA mejore la estabilidad y confiabilidad del sistema.

2. Diseño de disipación de calor de PCB del tablero de control FPGA
2.1 Diseño de refrigeración eléctrica

La placa de control central FPGA está conectada a una fuente de alimentación de CC +5v~b, que se requiere para proporcionar una corriente de lA o superior. El módulo de alimentación elige el chip LDO LT1ll7, que convierte la fuente de alimentación de +5V CC en el voltaje del puerto +3.3VVCCIO y el voltaje del núcleo +1.2VVCCINT requerido por el chip de control principal EP3C5E144C7. El LT1117 está empaquetado en un pequeño chip SOT23.

A través del análisis anterior, se puede saber que se necesitan dos chips LT1117 para diseñar el circuito de alimentación para cumplir con los requisitos de fuente de alimentación de +3.3V y +1.2V requeridos por la FPGA. La disipación de calor del módulo de potencia se maneja de la siguiente manera durante el diseño de PCB:

(1) Dado que los módulos de potencia generarán una cierta cantidad de calor cuando funcionan durante mucho tiempo, mantenga una cierta distancia al colocar los módulos de potencia adyacentes. Si la distancia es demasiado corta, no favorece la disipación del calor. Al diseñar, establezca la distancia entre los dos chips LDO LT11l7 en 20 mm o más.

(2) Realice un tratamiento de recubrimiento de cobre por separado en la posición donde se coloca el chip LDO LT1117, lo que favorece la disipación de calor de la fuente de alimentación.

(3) Si es necesario, agregue un disipador de calor al chip LDO para garantizar una rápida disipación de calor del módulo de alimentación y proporcionar un suministro de energía normal para el chip FPGA.

2.2 Disipación de calor mediante diseño

Coloque algunas vías metalizadas conductoras de calor en la parte inferior y cerca de los componentes que generan mucho calor en la PCB. La vía de disipación de calor es un pequeño orificio que penetra en la PCB y el diámetro es de aproximadamente 0.4 mm a 1 mm. . . La apertura no debe ser demasiado grande y la distancia entre las vías debe establecerse entre 1 mm y 1,2 mm. Los orificios de paso penetran en la placa de circuito impreso, de modo que el calor en la parte frontal de la placa impresa se transmite rápidamente a otras capas de disipación de calor a lo largo de la parte posterior de la PCB, y los componentes en la superficie de calentamiento se enfrían rápidamente y pueden aumentar de manera efectiva. El área de disipación de calor y reduce la resistencia térmica, aumentando la potencia de la densidad de la placa de circuito.

2.3 Diseño de disipación de calor del chip FPGA

La principal fuente de calor del chip FPGA es el consumo de energía dinámico, como el consumo de energía del voltaje del núcleo y el consumo de energía del voltaje de E/S, el consumo de energía generado por la memoria, la lógica interna y el sistema, y ​​el control FPGA de sus módulos funcionales (como el video). , módulos de audio, etc.) generarán energía. Por lo tanto, es necesario disipar el calor en el chip FPGA a medida que se genera calor. Al diseñar el paquete QFP del chip FPGA, se agrega una lámina de cobre con un tamaño de 4,5 mm x 4,5 mm al centro del chip FPGA, y se diseña una cierta cantidad de almohadillas de disipación de calor, y también se pueden agregar disipadores de calor de acuerdo con a las necesidades reales.

2.4 Diseño de disipación de calor de cobre.

El recubrimiento de cobre de PCB no solo puede mejorar la capacidad antiinterferencia del circuito, sino que también promueve eficazmente la disipación de calor de la placa PCB. Generalmente existen dos métodos de revestimiento de cobre en el diseño de PCB utilizando el software AltiumDesignerSummer09, es decir, revestimiento de cobre de gran superficie y revestimiento de cobre en forma de rejilla. La desventaja de la lámina de cobre en tiras de gran superficie es que la placa PCB generará mucho calor cuando funciona durante mucho tiempo, lo que hace que la lámina de cobre en tira sea fácil de expandir y caer. Por lo tanto, considerando el buen rendimiento de disipación de calor de la PCB, se utiliza una lámina de cobre en forma de rejilla en el diseño del revestimiento de cobre de la PCB, y la rejilla se conecta a la red de conexión a tierra del circuito para mejorar el efecto de blindaje y el rendimiento de disipación de calor de la PCB. sistema.

El diseño de disipación de calor de PCB es un vínculo clave para garantizar la estabilidad y confiabilidad de las placas de PCB, y la elección del método de disipación de calor es el factor principal a considerar. El diseño y la aplicación de medidas específicas de disipación de calor es la cuestión central de la disipación de calor de PCB. En este artículo, al diseñar la PCB de la placa de control central FPGA, el análisis de la fuente de calor del sistema de control FPGA es el punto de partida y, de acuerdo con los requisitos reales de disipación de calor, el módulo de potencia de la placa de control FPGA, el Se diseñan el chip de control FPGA, las vías de disipación de calor y la disipación de calor de cobre. El método de disipación de calor adoptado por el tablero de control FPGA tiene las características de practicabilidad, bajo costo y fácil realización.