Projeto térmico da placa de circuito FPGA

Projeto de dissipação de calor PCB da placa de controle central FPGA

Nos últimos anos, com a miniaturização, integração e modularização de produtos eletrônicos, a densidade de instalação de componentes eletrônicos aumentou e a área efetiva de dissipação de calor diminuiu. Portanto, o design térmico de componentes eletrônicos de alta potência e a dissipação de calor das placas de circuito têm atraído a atenção dos engenheiros eletrônicos. Uma das principais tecnologias para saber se o sistema de controle FPGA pode funcionar normalmente é a dissipação de calor do sistema. O objetivo do projeto térmico de PCB é tomar medidas e métodos apropriados para reduzir a temperatura dos componentes e da placa PCB, para que o sistema possa funcionar normalmente a uma temperatura apropriada. Embora existam muitas medidas de dissipação de calor para PCB, é necessário considerar os requisitos de custo e praticidade de dissipação de calor. Neste artigo, através da análise dos problemas reais de dissipação de calor da placa de controle central FPGA, é realizado o projeto de dissipação de calor necessário para o PCB da placa de controle FPGA, para que a placa de controle FPGA tenha um bom desempenho de dissipação de calor durante o trabalho. .

1. Placa de controle FPGA e dissipação de calor
Projete uma placa de controle central FPGA para aplicações de ensino e pesquisa científica, que é composta principalmente de chip de controle principal FPGA, além de circuitos de fonte de alimentação de 3,3 V e mais 1,2 V, circuito de clock de 50 MHz, circuito de reinicialização, circuito de interface de download JTAG e AS, memória SRAM e E/S Liderando a interface e outras peças. O chip de controle principal FPGA adota EP3C5E144C7 no pacote QFP da série CycloneIII da Altera Company. A estrutura do sistema da placa de controle central FPGA é mostrada na Figura 1.

Figura 1 Arquitetura do sistema da placa de controle central FPGA

As principais fontes de calor na PCB da placa de controle central FPGA são:

(1) A placa de controle requer várias fontes de alimentação, como mais 5V, mais 3,3V e mais 1,2V. O módulo de potência produz muito calor quando funciona por muito tempo. Se não forem tomadas medidas eficazes de resfriamento, o módulo de potência ficará quente e não poderá funcionar normalmente.

(2) A frequência do clock FPGA da placa de controle é de 50 MHz e a densidade da fiação do PCB é alta. Com o aumento da integração do sistema, o consumo de energia do sistema é relativamente alto e as medidas necessárias de dissipação de calor devem ser tomadas para o chip FPGA.

(3) O próprio substrato do PCB gera calor e o condutor de cobre é um dos materiais básicos de moldagem do PCB. A própria resistência da linha de corrosão revestida com condutor de cobre é aquecida devido à perda de energia de corrente alternada.

Com base na análise acima da fonte de calor do sistema de circuito da placa de controle central FPGA, é necessário tomar as medidas necessárias de dissipação de calor para a placa de controle central FPGA para melhorar a estabilidade e confiabilidade do sistema.

2. Projeto de dissipação de calor PCB da placa de controle FPGA
2.1 Projeto de refrigeração elétrica

A placa de controle principal do FPGA está conectada a uma fonte de alimentação CC de mais 5 V~b, que é necessária para fornecer uma corrente de lA ou superior. O módulo de alimentação escolhe o chip LDO LT1ll7, que converte a fonte de alimentação de mais 5V DC na tensão da porta mais 3,3VVCCIO e mais tensão de núcleo 1,2VVCCINT exigida pelo chip de controle principal EP3C5E144C7. O LT1117 é embalado em um pequeno chip SOT23.

Através da análise acima, pode-se saber que dois chips LT1117 são necessários para projetar o circuito de alimentação para atender aos requisitos de fonte de alimentação de mais 3,3 V e mais 1,2 V exigidos pelo FPGA. A dissipação de calor do módulo de potência é tratada da seguinte forma durante o projeto da PCB:

(1) Como os módulos de potência geram uma certa quantidade de calor quando funcionam por um longo período, mantenha uma certa distância ao posicionar os módulos de potência adjacentes. Se a distância for muito próxima, não favorece a dissipação de calor. Ao fazer o layout, defina a distância entre os dois chips LDO LT11l7 para 20 mm ou mais.

(2) Realize um tratamento de revestimento de cobre separado na posição onde o chip LDO LT1117 é colocado, o que contribui para a dissipação de calor da fonte de alimentação.

(3) Se necessário, adicione um dissipador de calor ao chip LDO para garantir a rápida dissipação de calor do módulo de alimentação e fornecer alimentação normal para o chip FPGA.

2.2 Dissipação de calor via projeto

Coloque algumas vias metalizadas condutoras de calor na parte inferior e perto dos componentes que geram muito calor na placa de circuito impresso. A dissipação de calor é um pequeno orifício que penetra na PCB e o diâmetro é de cerca de 0,4 mm a 1 mm. . . A abertura não deve ser muito grande e a distância entre as vias deve ser ajustada entre 1 mm e 1,2 mm. Os orifícios penetram na placa de circuito impresso, de modo que o calor na parte frontal da placa impressa é rapidamente transmitido para outras camadas de dissipação de calor ao longo da parte traseira do PCB, e os componentes na superfície de aquecimento são resfriados rapidamente e podem efetivamente aumentar a área de dissipação de calor e reduz a resistência térmica, aumentando a potência da densidade da placa de circuito.

2.3 Projeto de dissipação de calor do chip FPGA

A principal fonte de calor do chip FPGA é o consumo dinâmico de energia, como consumo de energia de tensão central e consumo de energia de tensão de E/S, consumo de energia gerado pela memória, lógica interna e sistema, e controle FPGA de seus módulos funcionais (como vídeo , módulos de áudio, etc.) gerarão energia. Portanto, é necessário dissipar o calor no chip FPGA à medida que o calor é gerado. Ao projetar o pacote QFP do chip FPGA, uma folha de cobre com um tamanho de 4,5 mm X 4,5 mm é adicionada ao centro do chip FPGA, e um certo número de almofadas de dissipação de calor são projetadas, e dissipadores de calor também podem ser adicionados de acordo às necessidades reais.

2.4 Projeto de dissipação de calor de cobre

O revestimento de cobre PCB pode não apenas melhorar a capacidade anti-interferência do circuito, mas também promover efetivamente a dissipação de calor da placa PCB. Geralmente, existem dois métodos de revestimento de cobre no projeto de PCB usando o software AltiumDesignerSummer09, ou seja, revestimento de cobre de grande área e revestimento de cobre em forma de grade. A desvantagem da tira de cobre de grande área é que a placa PCB gerará muito calor quando funcionar por um longo tempo, o que torna a tira de cobre fácil de expandir e cair. Portanto, considerando o bom desempenho de dissipação de calor do PCB, uma folha de cobre em forma de grade é usada no projeto do revestimento de cobre do PCB, e a grade é conectada à rede de aterramento do circuito para melhorar o efeito de blindagem e o desempenho de dissipação de calor do sistema.

O projeto de dissipação de calor da PCB é um elo fundamental para garantir a estabilidade e confiabilidade das placas PCB, e a escolha do método de dissipação de calor é o principal fator a ser considerado. O projeto e a aplicação de medidas específicas de dissipação de calor são a questão central da dissipação de calor do PCB. Neste artigo, ao projetar o PCB da placa de controle central FPGA, a análise da fonte de calor do sistema de controle FPGA é o ponto de partida e, de acordo com os requisitos reais de dissipação de calor, o módulo de potência da placa de controle FPGA, o Chip de controle FPGA, vias de dissipação de calor e dissipação de calor de cobre são projetados. O método de dissipação de calor adotado pela placa de controle FPGA possui características de praticidade, baixo custo e fácil realização.