PCB-thermisch beheer optimaliseren voor FPGA-systemen

In de afgelopen jaren hebben miniaturisatie, integriteit en modularisering van elektronische producten geleid tot een escalatie in termen van assemblage-dichtheid van elektronische componenten en een afname in termen van effectief thermisch afgifte-oppervlak. Daarom worden thermisch ontwerp van hoog-vermogen elektronische componenten en thermische afgifte-problemen op bordniveau zo prevalent onder elektronische ingenieurs. Voor FPGA (field programmable gate array) systeem, is thermische afgifte een van de cruciale technologieën die bepalen of de chip in staat is normaal te werken. Het doel van PCB-thermisch ontwerp is om de temperatuur van componenten en het bord door geschikte maatregelen en methoden te verlagen, om het systeem onder geschikte temperatuur te laten werken. Ondanks talloze maatregelen om warmte van PCB's af te voeren, moeten sommige vereisten in rekening worden gebracht zoals thermische afgifte-kosten en praktische uitvoerbaarheid. Dit artikel komt met thermische ontwerpmethoden voor PCB's gecontroleerd door FPGA-systeem, gebaseerd op de analyse van de praktische thermische afgifte-problemen, om de uitstekende thermische afgifte-capaciteit van FPGA-systeem controleboard te waarborgen.

FPGA-systeem controleboard en thermische afgifte-probleem

Het FPGA-systeem controleboard dat in dit artikel gebruikt wordt, bestaat hoofdzakelijk uit besturingschip FPGA (EP3C5E144C7 met QFP-verpakking van Cyclone III-serie van Altera®), +3,3V en +1,2V voedingsschakelingen, 50MHz klokschakeling, reset-schakeling, JTAG en AS download-interface schakeling, SRAM-geheugen en I/O-interface. De structuur van het FPGA-systeem controleboard wordt in Figuur 1 hieronder weergegeven.

Warmtebronnen van PCB gecontroleerd door FPGA-systeem afkomstig uit:

• • Talloze typen voedingen voor het controleboard zoals +5V, +3,3V en +1,2V en voedingsmodules zullen grote hoeveelheden warmte genereren bij langdurig werken. Voedingsmodules zullen niet normaal werken tenzij geschikte maatregelen effectief genomen worden.
• • De klokfrequentie van FPGA op het controleboard is 50MHz met hoge dichtheid van PCB-routing. De escalatie van systeemintegriteit leidt tot hoog systeemvermogensverbruik en noodzakelijke thermische afgifte-maatregelen moeten voor FPGA-chip worden getroffen.
• • Het PCB-substraat genereert warmte door zichzelf. Kopergeleider is onder de basismaterialen van PCB's en kopergeleiderschakeling zal warmte genereren met de uitwisseling van stroom en vermogensverbruik.

Op basis van de analyse in termen van warmtebronnen van het schakelsysteem gecontroleerd door FPGA-controleboard, moeten noodzakelijke maatregelen om warmte af te voeren worden genomen voor FPGA-controleboard om de stabiliteit en betrouwbaarheid van het hele systeem te vergroten.

Thermisch ontwerp van PCB gecontroleerd door FPGA-chip

1. Thermisch ontwerp van voeding

FPGA-systeem controleboard is aangesloten op +5V externe gelijkstroom (DC) voeding die vereist is om een stroom van meer dan 1A te leveren. LDO-chip LT1117 (met kleine SOT-23 SMD-verpakking) wordt gekozen als de voedingsmodule die in staat is +5V DC-voeding om te zetten in +3,3V VCCIO-interface spanning en +1,2V VCCINT VCORE.

Volgens de analyse hierboven, zijn twee LT1117-chips nodig in het proces van voedingsschakelontwerp, om te voldoen aan de spanningseisen van +3,3V en +1,2V door FPGA. Maatregelen om warmte van voedingsmodules af te voeren in het proces van PCB-ontwerp omvatten de volgende aspecten:

• • Om snelle thermische afgifte van voedingsmodule die voeding levert aan FPGA-chip te waarborgen, moet warmtewisselaar aan LDO-chip worden toegevoegd wanneer nodig.
• • Omdat voedingsmodule warmte genereert na langdurig werken, moet een bepaalde afstand tussen aangrenzende voedingsmodules worden gehandhaafd. De afstand tussen twee LDO-chips LT1117 moet 20mm of meer worden gehouden.
• • Ten goede thermische afgifte, moet koperbeplating onafhankelijk op de plaats van LDO-chip LT1117 worden uitgevoerd, zoals getoond in Figuur 2.

2. Thermisch ontwerp van doorvoeringen

Aan de onderkant van componenten met grote hoeveelheid warmteproductie op PCB's of in de buurt ervan, moeten enkele geleidende metaal doorvoeringen worden geplaatst. Thermische afgifte doorvoeringen zijn kleine gaten die de PCB doorpenetreren met een diameter in het bereik van 0,4mm tot 1mm en met de afstand tussen doorvoeringen in het bereik van 1mm tot 1,2mm. Doorvoeringen die de PCB doorpenetreren, maken de energie aan de voorzijde snel doorgegeven aan andere thermische afgifte-lagen, zodat componenten aan de warme kant van de PCB direct worden afgekoeld en het thermische afgifte-oppervlak effectief wordt vergroot en de weerstand verlaagd. Uiteindelijk kan de vermogensdichtheid van de PCB verbeterd worden. Het thermische ontwerp van doorvoeringen wordt in Figuur 3 hieronder weergegeven.

3. Thermisch ontwerp van FPGA-chip

De warmte van FPGA-chip komt voornamelijk uit dynamische energieverbruik zoals VCORE en I/O-spanning energieverbruik, energieverbruik geproduceerd door geheugen, interne logica en systeem en energieverbruik geproduceerd door FPGA tijdens het besturen van andere modules (video, radio modules bijvoorbeeld). Bij het ontwerpen van FPGA-chip QFP-verpakking, wordt een koperfolie aan het centrum van de FPGA-chip toegevoegd met een grootte van 4,5mm x 4,5mm en worden verschillende thermische afgifte-pads ontworpen. Warmtewisselaar kan worden toegevoegd wanneer nodig. Het thermische ontwerp van FPGA-chip wordt in Figuur 4 hieronder weergegeven.

4. Thermisch ontwerp van koperbeplating

Koperbeplating op PCB kan zowel de anti-storing capaciteit van schakelingen verhogen als de thermische afgifte van PCB's bevorderen. PCB-ontwerp gebaseerd op Altium Designer Summer 09 kenmerkt meestal twee typen koperbeplating: groot-oppervlak koperbeplating en rooster-vormige koperbeplating. Groot-oppervlak strook-vormige koperbeplating heeft een defect dat langdurig werken van PCB kan leiden tot veel warmteopwekking, wat de strook-vormige koperfolie kan doen uitdijen en afvallen. Daarom, om uitstekende warmteafgifte-capaciteit van PCB te verkrijgen, moet koperbeplating met rooster-vorm worden geïmplementeerd en de verbinding tussen rooster en massanetwerk van de schakeling, zodat het schermeffect van het systeem en de thermische afgifte-prestaties verbeterd zullen worden. Het thermische ontwerp van koperbeplating wordt in Figuur 5 hieronder weergegeven.

Thermisch ontwerp van schakelkaarten speelt een cruciale rol in het bepalen van de werkstabiliteit en betrouwbaarheid van PCB's en de keuze in termen van thermische ontwerpmethoden is de belangrijkste overweging. Dit artikel bespreekt enkele maatregelen om warmte van PCB gecontroleerd door FPGA-systeem af te voeren en een geschikte methode moet worden gekozen met overweging van kosten en praktische uitvoerbaarheid.

Nuttige bronnen

• De meest uitgebreide principes van thermisch ontwerp voor PCB's
• PCB-thermische ontwerpoverwegingen
• Ontwerp van hoog-vermogen PCB in hoge-temperatuur omgeving
• Metal Core PCB een ideale oplossing voor thermische problemen in PCB en PCBA
• Full Feature PCB Manufacturing Service van PCBCart - Meerdere toegevoegde waarde opties
• Advanced PCB Assembly Service van PCBCart - Start vanaf 1 stuk