Thiết kế nhiệt của bo mạch FPGA

Thiết kế tản nhiệt PCB của bo mạch điều khiển lõi FPGA

Trong những năm gần đây, với việc thu nhỏ, tích hợp và mô đun hóa các sản phẩm điện tử, mật độ lắp đặt các linh kiện điện tử đã tăng lên và diện tích tản nhiệt hiệu quả đã giảm. Do đó, thiết kế nhiệt của các linh kiện điện tử công suất cao và khả năng tản nhiệt ở cấp độ bảng mạch đã thu hút sự chú ý của các kỹ sư điện tử. Một trong những công nghệ then chốt để hệ thống điều khiển FPGA có thể hoạt động bình thường hay không chính là khả năng tản nhiệt của hệ thống. Mục đích của thiết kế nhiệt PCB là thực hiện các biện pháp và phương pháp thích hợp để giảm nhiệt độ của các linh kiện và bo mạch PCB, để hệ thống có thể hoạt động bình thường ở nhiệt độ thích hợp. Mặc dù có nhiều biện pháp tản nhiệt cho PCB nhưng cần xem xét các yêu cầu về chi phí tản nhiệt và tính khả thi. Trong bài báo này, thông qua phân tích các vấn đề tản nhiệt thực tế của bo mạch điều khiển lõi FPGA, tiến hành thiết kế tản nhiệt cần thiết cho PCB của bo mạch điều khiển FPGA, để bo mạch điều khiển FPGA có hiệu suất tản nhiệt tốt khi làm việc. .

1. Bảng điều khiển FPGA và tản nhiệt
Thiết kế bảng điều khiển lõi FPGA cho các ứng dụng giảng dạy và nghiên cứu khoa học, chủ yếu bao gồm chip điều khiển chính FPGA, cộng với mạch cấp nguồn 3,3V và 1,2V, mạch xung nhịp 50 MHz, mạch reset, mạch giao diện tải xuống JTAG và AS, bộ nhớ SRAM và I/O Dẫn ra giao diện và các phần khác. Chip điều khiển chính FPGA sử dụng EP3C5E144C7 trong gói QFP dòng CycloneIII của Công ty Altera. Cấu trúc của hệ thống bảng điều khiển lõi FPGA được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1 Kiến trúc hệ thống bảng điều khiển lõi FPGA

Các nguồn nhiệt chính trên bo mạch điều khiển lõi FPGA là:

(1) Bảng điều khiển yêu cầu nhiều nguồn điện khác nhau như cộng 5V, cộng 3,3V và cộng 1,2V. Mô-đun nguồn sinh ra nhiều nhiệt khi hoạt động trong thời gian dài. Nếu không thực hiện các biện pháp làm mát hiệu quả, mô-đun nguồn sẽ nóng và không thể hoạt động bình thường.

(2) Tần số xung nhịp FPGA của bảng điều khiển là 50 MHz và mật độ dây PCB cao. Với sự gia tăng tích hợp hệ thống, mức tiêu thụ điện năng của hệ thống tương đối cao và các biện pháp tản nhiệt cần thiết phải được thực hiện cho chip FPGA.

(3) Chất nền của PCB tự tạo ra nhiệt và dây dẫn đồng là một trong những vật liệu đúc cơ bản của PCB. Bản thân điện trở của dây dẫn bọc dây đồng bị nóng lên do mất dòng điện xoay chiều.

Dựa trên những phân tích ở trên về nguồn nhiệt của hệ thống mạch của bo mạch điều khiển lõi FPGA, cần có những biện pháp tản nhiệt cần thiết cho bo mạch điều khiển lõi FPGA để nâng cao độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống.

2. Thiết kế tản nhiệt PCB của bo mạch điều khiển FPGA
2.1 Thiết kế tản nhiệt bằng điện

Bảng điều khiển lõi FPGA được kết nối với nguồn điện DC cộng thêm 5v~b, cần thiết để cung cấp dòng điện từ lA trở lên. Mô-đun nguồn chọn chip LDO LT1ll7, chuyển đổi nguồn điện DC 5V cộng thành điện áp cổng 3,3VVCCIO cộng và điện áp lõi cộng 1,2VVCCINT theo yêu cầu của chip điều khiển chính EP3C5E144C7. LT1117 được đóng gói trong một chip SOT23 nhỏ.

Qua phân tích trên có thể biết cần có 2 chip LT1117 để thiết kế mạch nguồn đáp ứng yêu cầu cấp nguồn cộng 3,3V và cộng 1,2V mà FPGA yêu cầu. Việc tản nhiệt của mô-đun nguồn được xử lý như sau trong quá trình thiết kế PCB:

(1) Vì các mô-đun nguồn sẽ tạo ra một lượng nhiệt nhất định khi hoạt động trong thời gian dài nên hãy giữ khoảng cách nhất định khi bố trí các mô-đun nguồn liền kề. Nếu khoảng cách quá gần sẽ không có lợi cho việc tản nhiệt. Khi bố trí nên đặt khoảng cách giữa 2 chip LDO LT11l7 là 20mm trở lên.

(2) Tiến hành xử lý lớp phủ đồng riêng biệt ở vị trí đặt chip LDO LT1117, điều này có lợi cho việc tản nhiệt của nguồn điện.

(3) Nếu cần, hãy thêm một bộ tản nhiệt vào chip LDO để đảm bảo mô-đun nguồn tản nhiệt nhanh và cung cấp nguồn điện bình thường cho chip FPGA.

2.2 Tản nhiệt qua thiết kế

Đặt một số lỗ kim loại dẫn nhiệt ở dưới cùng và gần các bộ phận tạo ra nhiều nhiệt trên PCB. Tản nhiệt qua một lỗ nhỏ xuyên qua PCB và có đường kính khoảng 0,4mm đến 1mm. . . Khẩu độ không được quá lớn và khoảng cách giữa các lỗ phải được đặt ở mức 1 mm đến 1,2 mm. Các lỗ thông qua bảng mạch in, do đó nhiệt ở mặt trước của bảng in nhanh chóng được truyền đến các lớp tản nhiệt khác dọc theo mặt sau của PCB, và các bộ phận trên bề mặt gia nhiệt được làm mát nhanh chóng và có thể tăng hiệu quả diện tích tản nhiệt và giảm điện trở nhiệt, tăng sức mạnh cho mật độ bảng mạch.

Thiết kế tản nhiệt chip 2.3 FPGA

Nguồn nhiệt chính của chip FPGA là tiêu thụ điện năng động, chẳng hạn như tiêu thụ điện áp lõi và tiêu thụ điện áp I/O, tiêu thụ điện năng do bộ nhớ, logic bên trong và hệ thống tạo ra, cũng như điều khiển FPGA của các mô-đun chức năng của nó (chẳng hạn như video , mô-đun âm thanh, v.v.) sẽ tạo ra điện. Do đó, cần phải tản nhiệt trên chip FPGA khi nhiệt được tạo ra. Khi thiết kế gói QFP của chip FPGA, một lá đồng có kích thước 4,5mmX4,5mm được thêm vào giữa chip FPGA và một số miếng tản nhiệt nhất định được thiết kế và cũng có thể thêm tản nhiệt theo với nhu cầu thực tế.

2.4 Thiết kế tản nhiệt bằng đồng

Lớp phủ đồng PCB không chỉ có thể cải thiện khả năng chống nhiễu của mạch mà còn phát huy hiệu quả khả năng tản nhiệt của bo mạch PCB. Nhìn chung có hai phương pháp ốp đồng trong thiết kế PCB bằng phần mềm AltiumDesignerSummer09, đó là ốp đồng diện tích lớn và ốp đồng dạng lưới. Nhược điểm của lá đồng dải diện tích lớn là bo mạch PCB sẽ sinh ra nhiều nhiệt khi hoạt động trong thời gian dài, khiến lá đồng dải dễ bị giãn nở và rơi ra. Do đó, xem xét hiệu suất tản nhiệt tốt của PCB, lá đồng hình lưới được sử dụng trong thiết kế tấm ốp đồng PCB và lưới được kết nối với mạng nối đất của mạch để cải thiện hiệu quả che chắn và hiệu suất tản nhiệt của hệ thống.

Thiết kế tản nhiệt PCB là mắt xích quan trọng để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của bo mạch PCB, và việc lựa chọn phương pháp tản nhiệt là yếu tố hàng đầu cần được xem xét. Việc thiết kế và áp dụng các biện pháp tản nhiệt cụ thể là vấn đề cốt lõi của tản nhiệt PCB. Trong bài báo này, khi thiết kế PCB của bo mạch điều khiển lõi FPGA, việc phân tích nguồn nhiệt của hệ thống điều khiển FPGA là điểm khởi đầu, và theo yêu cầu tản nhiệt thực tế, mô-đun nguồn của bo mạch điều khiển FPGA, Chip điều khiển FPGA, vias tản nhiệt và tản nhiệt bằng đồng được thiết kế. Phương pháp tản nhiệt được bảng điều khiển FPGA áp dụng có các đặc tính khả thi, chi phí thấp và dễ thực hiện.