التصميم الحراري للوحة دوائر FPGA

تصميم تبديد الحرارة ثنائي الفينيل متعدد الكلور للوحة التحكم الأساسية FPGA

في السنوات الأخيرة، مع تصغير المنتجات الإلكترونية وتكاملها ونموذجيتها، زادت كثافة تركيب المكونات الإلكترونية وانخفضت مساحة تبديد الحرارة الفعالة. لذلك، فإن التصميم الحراري للمكونات الإلكترونية عالية الطاقة وتبديد الحرارة على مستوى اللوحة للوحات الدوائر قد جذب انتباه المهندسين الإلكترونيين. أحد التقنيات الرئيسية التي تحدد ما إذا كان نظام التحكم FPGA يمكن أن يعمل بشكل طبيعي هو تبديد حرارة النظام. الغرض من التصميم الحراري لثنائي الفينيل متعدد الكلور هو اتخاذ التدابير والأساليب المناسبة لتقليل درجة حرارة المكونات ولوحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور، حتى يتمكن النظام من العمل بشكل طبيعي عند درجة حرارة مناسبة. على الرغم من وجود العديد من تدابير تبديد الحرارة لثنائي الفينيل متعدد الكلور، فمن الضروري مراعاة متطلبات تكلفة تبديد الحرارة وإمكانية تطبيقها. في هذا البحث، من خلال تحليل مشاكل تبديد الحرارة الفعلية للوحة التحكم الأساسية FPGA، تم تنفيذ تصميم تبديد الحرارة الضروري لثنائي الفينيل متعدد الكلور للوحة التحكم FPGA، بحيث تتمتع لوحة التحكم FPGA بأداء جيد في تبديد الحرارة عند العمل .

1. لوحة تحكم FPGA وتبديد الحرارة
تصميم لوحة تحكم أساسية FPGA لتطبيقات التدريس والبحث العلمي، والتي تتكون بشكل أساسي من شريحة التحكم الرئيسية FPGA، +3.3V و+1.2V دوائر إمداد الطاقة، دائرة ساعة 50 ميجا هرتز، دائرة إعادة الضبط، JTAG ودائرة واجهة التنزيل وذاكرة SRAM وواجهة الإدخال/الإخراج والأجزاء الأخرى. تعتمد شريحة التحكم الرئيسية FPGA EP3C5E144C7 في حزمة QFP من سلسلة CycloneIII لشركة Altera. يظهر هيكل نظام لوحة التحكم الأساسية FPGA في الشكل 1.

الشكل 1: بنية نظام لوحة التحكم الأساسية FPGA

 

المصادر الرئيسية للحرارة في لوحة التحكم الأساسية FPGA PCB هي:

(1) تتطلب لوحة التحكم مصادر طاقة مختلفة مثل +5V و+3.3V و+1.2V. تنتج وحدة الطاقة الكثير من الحرارة عندما تعمل لفترة طويلة. إذا لم يتم اتخاذ تدابير تبريد فعالة، فسوف تصبح وحدة الطاقة ساخنة ولن تتمكن من العمل بشكل طبيعي.

(2) تردد ساعة FPGA للوحة التحكم هو 50 ميجا هرتز، وكثافة أسلاك PCB عالية. مع زيادة تكامل النظام، يكون استهلاك طاقة النظام مرتفعًا نسبيًا، ويجب اتخاذ تدابير تبديد الحرارة اللازمة لشريحة FPGA.

(3) تولد الركيزة الخاصة بثنائي الفينيل متعدد الكلور الحرارة نفسها، ويعتبر الموصل النحاسي أحد مواد التشكيل الأساسية لثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتم تسخين مقاومة خط التآكل المطلي بالموصل النحاسي نفسه بسبب فقدان طاقة التيار المتردد.

بناءً على التحليل أعلاه لمصدر الحرارة لنظام الدائرة للوحة التحكم الأساسية FPGA، من الضروري اتخاذ تدابير تبديد الحرارة اللازمة للوحة التحكم الأساسية FPGA لتحسين استقرار وموثوقية النظام.

2. تصميم تبديد الحرارة ثنائي الفينيل متعدد الكلور للوحة التحكم FPGA
2.1 تصميم تبريد الطاقة

يتم توصيل لوحة التحكم الأساسية FPGA بمصدر طاقة تيار مستمر +5v~b، وهو مطلوب لتوفير تيار يبلغ LA أو أعلى. تختار وحدة الطاقة شريحة LDO LT1ll7، التي تحول مصدر الطاقة +5V DC إلى جهد المنفذ +3.3VVCCIO والجهد الأساسي +1.2VVCCINT الذي تتطلبه شريحة التحكم الرئيسية EP3C5E144C7. يتم تعبئة LT1117 في شريحة SOT23 صغيرة.

من خلال التحليل أعلاه، يمكن معرفة أن هناك حاجة إلى شريحتين LT1117 لتصميم دائرة الطاقة لتلبية متطلبات مصدر الطاقة +3.3V و+1.2V المطلوبة بواسطة FPGA. يتم التعامل مع تبديد الحرارة لوحدة الطاقة على النحو التالي أثناء تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور:

(1) بما أن وحدات الطاقة ستولد كمية معينة من الحرارة عندما تعمل لفترة طويلة، فاحتفظ بمسافة معينة عند وضع وحدات الطاقة المجاورة. إذا كانت المسافة قريبة جدًا، فهذا لا يساعد على تبديد الحرارة. عند التخطيط، اضبط المسافة بين شريحتي LDO LT11l7 على 20 مم أو أكثر.

(2) قم بإجراء معالجة منفصلة لطلاء النحاس على الموضع الذي يتم فيه وضع شريحة LDO LT1117، مما يساعد على تبديد الحرارة لمصدر الطاقة.

(3) إذا لزم الأمر، قم بإضافة المشتت الحراري إلى شريحة LDO لضمان التبديد السريع للحرارة لوحدة الطاقة وتوفير مصدر طاقة عادي لشريحة FPGA.

2.2 تبديد الحرارة عن طريق التصميم

ضع بعض الفوهات المعدنية الموصلة للحرارة في الجزء السفلي وبالقرب من المكونات التي تولد الكثير من الحرارة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. تبديد الحرارة عبر فتحة صغيرة تخترق PCB، ويبلغ قطرها حوالي 0.4 مم إلى 1 مم. . . لا ينبغي أن تكون الفتحة كبيرة جدًا، ويجب ضبط المسافة بين الفتحات من 1 مم إلى 1.2 مم. تخترق الفتحات لوحة الدائرة المطبوعة، بحيث يتم نقل الحرارة الموجودة على الجزء الأمامي من اللوحة المطبوعة بسرعة إلى طبقات تبديد الحرارة الأخرى على طول الجزء الخلفي من PCB، ويتم تبريد المكونات الموجودة على سطح التسخين بسرعة، ويمكن أن تزيد بشكل فعال منطقة تبديد الحرارة وتقليل المقاومة الحرارية، مما يزيد من قوة كثافة لوحة الدائرة.

2.3 تصميم تبديد الحرارة لرقاقة FPGA

المصدر الرئيسي لحرارة رقاقة FPGA هو استهلاك الطاقة الديناميكي، مثل استهلاك طاقة الجهد الأساسي واستهلاك طاقة جهد الإدخال / الإخراج، واستهلاك الطاقة الناتج عن الذاكرة والمنطق الداخلي والنظام، والتحكم FPGA في وحداته الوظيفية (مثل الفيديو ، وحدات الصوت، وما إلى ذلك) ستولد الطاقة، لذلك، من الضروري تبديد الحرارة على شريحة FPGA أثناء توليد الحرارة. عند تصميم حزمة QFP الخاصة بشريحة FPGA، تتم إضافة رقائق نحاسية بحجم 4.5 مم × 4.5 مم إلى مركز شريحة FPGA، ويتم تصميم عدد معين من وسادات تبديد الحرارة، ويمكن أيضًا إضافة المشتتات الحرارية وفقًا لذلك. للاحتياجات الفعلية.

2.4 تصميم تبديد الحرارة النحاس

لا يمكن للطلاء النحاسي لثنائي الفينيل متعدد الكلور أن يحسن قدرة الدائرة على مقاومة التداخل فحسب، بل يعزز أيضًا تبديد الحرارة للوحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بشكل فعال. هناك عمومًا طريقتان للكسوة النحاسية في تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور باستخدام برنامج AltiumDesignerSummer09، وهما الكسوة النحاسية ذات المساحة الكبيرة والكسوة النحاسية على شكل شبكة. عيب رقائق النحاس ذات الشريط الكبير هو أن لوحة PCB سوف تولد الكثير من الحرارة عندما تعمل لفترة طويلة، مما يجعل من السهل توسيع رقائق النحاس الشريطية وسقوطها. لذلك، مع الأخذ في الاعتبار الأداء الجيد لتبديد الحرارة لثنائي الفينيل متعدد الكلور، يتم استخدام رقائق النحاس على شكل شبكة في تصميم الكسوة النحاسية لثنائي الفينيل متعدد الكلور، ويتم توصيل الشبكة بشبكة التأريض للدائرة لتحسين تأثير التدريع وأداء تبديد الحرارة لـ PCB. نظام.

يعد تصميم تبديد الحرارة لثنائي الفينيل متعدد الكلور رابطًا رئيسيًا لضمان استقرار وموثوقية لوحات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، واختيار طريقة تبديد الحرارة هو العامل الأساسي الذي يجب مراعاته. يعد تصميم وتطبيق تدابير محددة لتبديد الحرارة هو القضية الأساسية لتبديد حرارة ثنائي الفينيل متعدد الكلور. في هذا البحث، عند تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور للوحة التحكم الأساسية FPGA، فإن تحليل مصدر الحرارة لنظام التحكم FPGA هو نقطة البداية، ووفقًا لمتطلبات تبديد الحرارة الفعلية، فإن وحدة الطاقة للوحة التحكم FPGA، تم تصميم رقاقة التحكم FPGA، ومنافذ تبديد الحرارة، وتبديد الحرارة النحاسي. تتميز طريقة تبديد الحرارة المعتمدة من قبل لوحة التحكم FPGA بخصائص التطبيق العملي والتكلفة المنخفضة وسهولة التنفيذ.