FPGA 回路基板の熱設計

FPGAコア制御ボードのPCB放熱設計

近年、電子製品の小型化、集積化、モジュール化に伴い、電子部品の実装密度が高まり、有効放熱面積が減少しています。 したがって、高出力電子部品の熱設計と回路基板の基板レベルの放熱が電子技術者の注目を集めています。 FPGA 制御システムが正常に動作できるかどうかを左右する重要なテクノロジーの 1 つは、システムの放熱です。 PCB の熱設計の目的は、システムが適切な温度で正常に動作できるように、コンポーネントと PCB 基板の温度を下げる適切な手段と方法を講じることです。 プリント基板の放熱対策は数多くありますが、放熱コストや実用性などの要件を考慮する必要があります。 この論文では、FPGA コア制御ボードの実際の放熱問題の分析を通じて、FPGA 制御ボードの PCB に必要な放熱設計を実行し、FPGA 制御ボードの動作時に良好な放熱性能を実現します。 。

1. FPGA制御ボードと放熱
教育および科学研究アプリケーション向けの FPGA コア制御ボードを設計します。これは、主にメイン制御チップ FPGA、プラス 3.3 V およびプラス 1.2 V 電源回路、50 MHz クロック回路、リセット回路、JTAG および AS ダウンロード インターフェイス回路、SRAM メモリで構成されます。 I/O インターフェイスやその他の部分を引き出します。 メイン制御チップFPGAにはAltera社のCycloneIIIシリーズQFPパッケージのEP3C5E144C7を採用。 FPGA コア制御ボード システムの構造を図 1 に示します。

図 1 FPGA コア制御ボードのシステム アーキテクチャ

FPGA コア制御ボード PCB の主な熱源は次のとおりです。

(1) 制御基板にはプラス5V、プラス3.3V、プラス1.2Vなどの各種電源が必要です。 パワーモジュールは長時間動作すると大量の熱を発生します。 効果的な冷却手段が講じられていない場合、パワーモジュールが高温になり、正常に動作できなくなります。

(2) 制御基板のFPGAクロック周波数は50MHzであり、PCB配線密度が高くなります。 システム統合の増加に伴い、システムの消費電力が比較的高くなり、FPGA チップに必要な放熱対策を講じる必要があります。

(3) PCB の基板自体は発熱しており、銅導体は PCB の基本成形材料の 1 つです。 交流電力の損失により、銅導体被覆腐食線自体の抵抗が発熱します。

FPGA コア制御ボードの回路システムの熱源に関する上記の分析に基づいて、システムの安定性と信頼性を向上させるために、FPGA コア制御ボードに必要な放熱対策を講じる必要があります。

2. FPGA制御ボードのPCB放熱設計
2.1 電源冷却設計

FPGA コア制御ボードは、プラス 5v~b DC 電源に接続されており、1A 以上の電流を供給する必要があります。 電源モジュールは LDO チップ LT1ll7 を選択し、プラス 5V DC 電源をプラス 3.3VVCCIO ポート電圧と、メイン制御チップ EP3C5E144C7 に必要なプラス 1.2VVCCINT コア電圧に変換します。 LT1117 は小型の SOT23 チップにパッケージされています。

上記の分析を通じて、FPGAが必要とするプラス3.3Vとプラス1.2Vの電源要件を満たす電源回路を設計するには、2つのLT1117チップが必要であることがわかります。 パワーモジュールの放熱は、PCB 設計時に次のように処理されます。

(1) パワーモジュールは長時間動作するとある程度の発熱を伴いますので、隣接するパワーモジュールを配置する場合は一定の距離を保ってください。 距離が近すぎると放熱がうまくいきません。 レイアウトの際は、2 つの LDO チップ LT11l7 間の距離を 20mm 以上に設定してください。

(2) LDO チップ LT1117 を配置する位置には、電源の放熱を考慮して別途銅メッ​​キ処理を施します。

(3) 必要に応じて、LDO チップにヒートシンクを追加して、電源モジュールの急速な放熱を確保し、FPGA チップに通常の電源を供給します。

2.2 設計による放熱

PCB 上で大量の熱を発生するコンポーネントの底部およびその近くに、熱伝導性のメタライズされたビアをいくつか配置します。 放熱ビアは PCB を貫通する小さな穴で、直径は約 0.4mm ～ 1mm です。 。 。 開口部は大きすぎず、ビア間の距離は 1 mm ～ 1.2 mm に設定する必要があります。 ビアホールはプリント基板を貫通しているため、プリント基板の前面の熱がプリント基板の背面に沿って他の放熱層に素早く伝達され、発熱面の部品が急速に冷却され、効果的に発熱を高めることができます。放熱面積を増やして熱抵抗を減らし、回路基板の電力密度を高めます。

2.3 FPGAチップの放熱設計

FPGA チップの発熱の主な原因は、コア電圧消費電力や I/O 電圧消費電力などの動的消費電力、メモリ、内部ロジック、システムによって生成される消費電力、および機能モジュール (ビデオなど) の FPGA 制御です。 、オーディオモジュールなど）が電力を生成するため、FPGAチップ上で熱が発生すると放熱する必要があります。 FPGAチップのQFPパッケージを設計する際、FPGAチップの中央に4.5mmX4.5mmのサイズの銅箔が追加され、一定数の放熱パッドが設計され、必要に応じてヒートシンクも追加できます。実際のニーズに合わせて。

2.4 銅の放熱設計

PCB 銅コーティングは、回路の抗干渉能力を向上させるだけでなく、PCB 基板の放熱も効果的に促進します。 AltiumDesignerSummer09 ソフトウェアを使用した PCB 設計における銅クラッディングには、一般に 2 つの方法があります。それは、大面積銅クラッディングとグリッド状銅クラッディングです。 大面積のストリップ銅箔の欠点は、長時間動作すると PCB 基板が多量の熱を発生し、ストリップ銅箔が膨張して剥がれやすくなることです。 したがって、PCBの良好な放熱性能を考慮して、PCB銅クラッドの設計にはグリッド状の銅箔が使用され、グリッドは回路の接地ネットワークに接続され、シールド効果と放熱性能が向上します。システム。

PCB の放熱設計は PCB ボードの安定性と信頼性を確保するための重要な要素であり、放熱方法の選択は考慮すべき主な要素です。 特定の放熱対策の設計と適用は、PCB の放熱の中心的な問題です。 この論文では、FPGA コア制御ボードの PCB を設計する際に、FPGA 制御システムの熱源の解析を開始点とし、実際の放熱要件に従って、FPGA 制御ボードの電源モジュール、 FPGA制御チップ、放熱ビア、銅放熱が設計されています。 FPGA制御ボードで採用されている放熱方式は、実用性があり、低コストで実現が容易であるという特徴があります。