FPGA 회로 기판의 열 설계
FPGA 코어 제어보드의 PCB 방열 설계
최근 전자제품의 소형화, 집적화, 모듈화로 인해 전자부품의 실장밀도는 증가하고 유효 방열면적은 감소하고 있습니다. 따라서 고전력 전자 부품의 열 설계와 회로 기판의 기판 수준 방열은 전자 엔지니어의 관심을 끌었습니다. FPGA 제어 시스템이 정상적으로 작동할 수 있는지 여부를 결정하는 핵심 기술 중 하나는 시스템의 열 방출입니다. PCB 열 설계의 목적은 부품과 PCB 보드의 온도를 낮추기 위한 적절한 조치와 방법을 취하여 시스템이 적절한 온도에서 정상적으로 작동할 수 있도록 하는 것입니다. PCB에 대한 방열 대책은 많지만 방열 비용과 실용성에 대한 요구 사항을 고려해야 합니다. 본 논문에서는 FPGA 코어 제어 보드의 실제 방열 문제 분석을 통해 FPGA 제어 보드의 PCB에 필요한 방열 설계를 수행하여 FPGA 제어 보드가 작업 시 우수한 방열 성능을 갖도록 합니다. .
1. FPGA 제어보드 및 방열
주로 메인 제어 칩 FPGA, 3.3V 및 1.2V 전원 공급 회로, 50MHz 클록 회로, 리셋 회로, JTAG 및 AS 다운로드 인터페이스 회로, SRAM 메모리로 구성된 교육 및 과학 연구 애플리케이션용 FPGA 코어 제어 보드를 설계합니다. 및 I/O 인터페이스 및 기타 부분을 이끌어냅니다. 메인 제어 칩 FPGA는 Altera Company의 CycloneIII 시리즈 QFP 패키지에 EP3C5E144C7을 채택합니다. FPGA 코어 제어 보드 시스템의 구조는 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1 FPGA 코어 제어 보드 시스템 아키텍처
FPGA 코어 제어 보드 PCB의 주요 열원은 다음과 같습니다.
(1) 제어 보드에는 플러스 5V, 플러스 3.3V, 플러스 1.2V 등 다양한 전원 공급 장치가 필요합니다. 파워 모듈은 장시간 작동 시 많은 열이 발생합니다. 효과적인 냉각 조치를 취하지 않으면 전원 모듈이 뜨거워져 정상적으로 작동할 수 없습니다.
(2) 제어 보드의 FPGA 클록 주파수는 50MHz이며 PCB 배선 밀도가 높습니다. 시스템 통합이 증가함에 따라 시스템 전력 소비가 상대적으로 높으므로 FPGA 칩에 필요한 열 방출 조치를 취해야 합니다.
(3) PCB의 기판 자체는 열을 발생시키며, 구리 도체는 PCB의 기본 성형 재료 중 하나입니다. 교류 전력의 손실로 인해 구리 도체로 코팅된 부식 선 자체의 저항이 가열됩니다.
FPGA 코어 제어 보드 회로 시스템의 열원에 대한 위의 분석을 바탕으로 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시키기 위해 FPGA 코어 제어 보드에 필요한 방열 조치를 취할 필요가 있습니다.
2. FPGA 제어보드의 PCB 방열 설계
2.1 전력 냉각 설계
FPGA 코어 제어 보드는 1A 이상의 전류를 제공하는 데 필요한 플러스 5v~b DC 전원 공급 장치에 연결됩니다. 전원 모듈은 플러스 5V DC 전원 공급 장치를 메인 제어 칩 EP3C5E144C7에 필요한 플러스 3.3VVCCIO 포트 전압과 플러스 1.2VVCCINT 코어 전압으로 변환하는 LDO 칩 LT1ll7을 선택합니다. LT1117은 소형 SOT23 칩에 패키징되어 있습니다.
위의 분석을 통해 FPGA에서 요구하는 +3.3V와 +1.2V의 전원 요구 사항을 충족하는 전원 회로를 설계하려면 2개의 LT1117 칩이 필요하다는 것을 알 수 있습니다. 전원 모듈의 열 방출은 PCB 설계 중에 다음과 같이 처리됩니다.
(1) 파워 모듈은 장시간 작동 시 일정량의 열이 발생하므로, 파워 모듈을 인접하게 배치할 때는 일정 거리를 유지하십시오. 거리가 너무 가까우면 열 방출에 도움이 되지 않습니다. 레이아웃 시 두 개의 LDO 칩 LT11l7 사이의 거리를 20mm 이상으로 설정하세요.
(2) LDO 칩 LT1117이 배치된 위치에 별도의 구리 코팅 처리를 수행하여 전원 공급 장치의 방열에 도움이 됩니다.
(3) 필요한 경우 LDO 칩에 방열판을 추가하여 전원 모듈의 빠른 열 방출을 보장하고 FPGA 칩에 정상적인 전원 공급을 제공합니다.
2.2 설계를 통한 열 방출
PCB에서 많은 열을 발생시키는 부품의 바닥과 근처에 열 전도성 금속화 비아를 배치하십시오. 방열비아는 PCB를 관통하는 작은 구멍으로 직경은 약 0.4mm~1mm 정도이다. . . 조리개는 너무 크지 않아야 하며, 비아 사이의 거리는 1mm~1.2mm로 설정되어야 합니다. 비아 홀은 인쇄 회로 기판을 관통하므로 인쇄 기판 전면의 열이 PCB 후면을 따라 다른 방열층으로 빠르게 전달되고 가열 표면의 구성 요소가 빠르게 냉각되어 효과적으로 증가할 수 있습니다. 방열 영역을 줄이고 열 저항을 줄여 회로 기판 밀도의 전력을 높입니다.
2.3 FPGA 칩 방열 설계
FPGA 칩 열의 주요 원인은 코어 전압 전력 소모, I/O 전압 전력 소모 등 동적 전력 소모, 메모리, 내부 로직, 시스템에서 발생하는 전력 소모, 기능 모듈(예: 비디오 등)의 FPGA 제어입니다. , 오디오 모듈 등)이 전력을 생성하므로 열이 발생함에 따라 FPGA 칩에서 열을 방출해야 합니다. FPGA 칩의 QFP 패키지를 설계할 때 FPGA 칩 중앙에 4.5mmX4.5mm 크기의 동박을 추가하고 일정 수의 방열 패드를 설계하며 이에 따라 방열판도 추가할 수 있습니다. 실제 필요에 따라.
2.4 구리 방열 설계
PCB 구리 코팅은 회로의 간섭 방지 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 PCB 보드의 열 방출을 효과적으로 촉진할 수 있습니다. AltiumDesignerSummer09 소프트웨어를 사용하는 PCB 설계에는 일반적으로 두 가지 구리 클래딩 방법, 즉 대면적 구리 클래딩과 격자형 구리 클래딩이 있습니다. 대면적 스트립 동박의 단점은 PCB 보드가 장시간 작동할 때 많은 열을 발생시켜 스트립 동박이 쉽게 팽창하고 떨어지게 된다는 것입니다. 따라서 PCB의 우수한 방열 성능을 고려하여 PCB 동박 설계에 그리드 모양의 동박을 사용하고 그리드를 회로의 접지 네트워크에 연결하여 차폐 효과와 방열 성능을 향상시킵니다. 체계.
PCB 방열 설계는 PCB 보드의 안정성과 신뢰성을 보장하는 핵심 링크이며, 방열 방법의 선택은 고려해야 할 주요 요소입니다. 특정 방열 대책의 설계 및 적용은 PCB 방열의 핵심 문제입니다. 본 논문에서는 FPGA 코어 제어보드의 PCB를 설계할 때 FPGA 제어 시스템의 열원 분석을 출발점으로 하여 실제 방열 요구사항에 따라 FPGA 제어보드의 전원 모듈, FPGA 제어 칩, 방열 비아 및 구리 방열이 설계되었습니다. FPGA 제어보드에 채택된 방열 방식은 실용성, 저비용, 용이한 구현이라는 특징을 가지고 있습니다.
