FPGA核心控制板的PCB散熱設計

時間:2017-10-26 14:26:00 來源:中國散熱器網 添加人:admin

  近年來,隨著電子產品的微型化、集成化與模塊化,電子元件的安裝密度增大,有效散熱面積減小。因此,大功率電子元件的熱設計與電路板的板級散熱問題備受電子工程師的關注。FPGA控制系統能否正常工作的關鍵技術之一就是系統的散熱問題。PCB熱設計的目的是采取適當的措施和方法降低元器件的溫度和PCB板的溫度,使系統在合適的溫度下正常工作。雖然PCB的散熱措施很多,但需要考慮到散熱成本與實用性的要求。本文通過分析FPGA核心控制板實際存在的散熱問題,對FPGA控制板的PCB進行必要的散熱設計,使FPGA控制板工作時具有良好的散熱性能。

  1FPGA控制板與散熱問題設計一種教學與科研應用的FPGA核心控制板,主要由主控芯片FPGA、+3.3V與+1.2V電源電路、1 50MHz時鐘電路、復位電路、TAG與AS下載接口電路、SRAM存儲器以及I/O引出接口等部分組成。主控芯片FPGA采用Altera公司的CycloneI系列QFP封裝的EP3C5E144C7FPGA核心控制板系統結構組成如所示。

  FPGA核心控制板系統架構FPGA核心控制板PCB的熱量主要來源有:源供電,電源模塊長時間工作產出大量的熱量,如果不采取有效散熱措施,導致電源模塊發燙無法正常工作。

  線密度大,隨著系統集成度的增加,系統功耗也相對較高,需要對FPGA芯片做必要的散熱措施。

  型材料之一,銅導體覆蝕線路自身電阻因電流交變功率損耗而制熱。

  基于以上FPGA核心控制板的電路系統熱量來源分析,需要對FPGA核心控制板采取必要的散熱措施,提高系統工作的穩定性與可靠性。

  2FPGA控制板的PCB散熱設計2.1電源散熱設計FPGA核心控制板接入+5V外部直流電源,要求可提供1A或以上的電流。電源模塊選擇LDO芯片LT1117,它將+5V直流電源轉換成主控芯片EP3C5E144C7所需+3.3VVCCIO端口電壓與+1.2VVCCINT內核電壓。其中LT1117采用小型S0T-23貼片封裝。

  通過上述分析可知,設計電源電路時需要兩片LT1117芯片,滿足FPGA所需的+3.3V與+1.2V電壓的供電要求,PCB設計時對電源模塊的散熱做如下處理:由于電源模塊長時間工作會產生一定的熱量,相鄰電源模塊布局時保持一定距離,距離太近不利于散熱,布局時將兩個LD0芯片LT1117距離設置20mm或以上。

  銅處理,有利于電源散熱,如所示。

  必要時對LD0芯片增加散熱片,保證電源模塊快速散熱,為FPGA芯片正常供電。

  2.2散熱過孔設計在PCB發熱量大的元件底部和附近放置一些導熱金屬化過孔。散熱過孔是穿透PCB的小孔,孔徑為0.4mm1mm左右。孔徑不宜太大,過孔間距設置為1mm1.2mm.過孔穿透印制電路板,使印制板正面的熱量延PCB背面快速傳導至其它散熱層,發熱面的元件快速冷卻,而且可以有效地提高散熱面積和減少熱阻,提高電路板的功率密度。金屬化通孔散熱設計如所示。

  電源模塊底部敷銅處理過孔散熱2.3FPGA芯片散熱設計FPGA芯片散熱FPGA芯片熱量主要來源動態功耗,如內核電壓功耗與I/O電壓功耗,存儲器、內部邏輯以及系統產生的功耗,FPGA控制它功能模塊(如視頻、音頻模塊等)等都會產生功耗,因此伴隨有熱量產生,有必要對FPGA芯片做散熱處理。設計FPGA芯片的QFP封裝時,在FPGA芯片中心處加了一塊尺寸為4.5mmX4.5mm的銅箔,并設計一定數量的散熱焊盤,根據實際需要還可加散熱片,FPGA芯片散熱處理方法如所示。

  申子世界65 2.4敷銅散熱設計PCB敷銅不但可以提高電路的抗干擾能力,還能有效促使PCB板的散熱。采用AltiumDesignerSummer 09軟件設計PCB―般有兩種敷銅方式,即大面積敷銅與柵格狀敷銅。大面積條狀銅箔存在的缺陷是PCB板長時間工作會產生較大熱量,導致條狀銅箔容易膨脹和脫落。因此,考慮到PCB良好的散熱性能,對PCB敷銅設計時采用柵格狀銅箔,設置柵格與電路的接地網絡連通,提高系統的屏蔽效果與散熱性能。FPGA控制板的敷銅散熱設計如所示。

  控制板敷銅散熱3結束語PCB散熱設計是保證PCB板工作穩定性和可靠性的關鍵環節,而散熱方法的選擇是要首要考慮的因素,具體散熱措施的設計與應用是PCB散熱的核心問題。本文在設計FPGA核心控制板的PCB時,以分析FPGA控制系統的熱量來源為出發點,根據實際散熱需求,對FPGA控制板的電源模塊、FPGA控制芯片、散熱過孔與敷銅散熱等進行設計。FPGA控制板所采用的散熱方法具有實用性、低成本與易實現的特點。

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