硬件開發(fā)
FPGA電路板散熱設(shè)計
FPGA核心控制板的PCB散熱設(shè)計
近年來，隨著電子產(chǎn)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(shè)計與電路板的板級散熱問題備受電子工程師的關(guān)注。FPGA控制系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵技術(shù)之一就是系統(tǒng)的散熱問題。PCB熱設(shè)計的目的是采取適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ń档驮骷臏囟群蚉CB板的溫度，使系統(tǒng)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(jìn)行必要的散熱設(shè)計，使FPGA控制板工作時具有良好的散熱性能。
一、FPGA控制板與散熱問題
設(shè)計一種教學(xué)與科研應(yīng)用的FPGA核心控制板，主要由主控芯片F(xiàn)PGA、+3.3V與+1.2V電源電路、50MHz時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG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F(xiàn)PGA采用Altera公司的CycloneIII系列QFP封裝的EP3C5E144C7。FPGA核心控制板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。
FPGA核心控制板PCB的熱量主要來源有：
(1)控制板需要+5V、+3.3V與+1.2V等多種電源供電，電源模塊長時間工作產(chǎn)出大量的熱量，如果不采取有效散熱措施，導(dǎo)致電源模塊發(fā)燙無法正常工作。
(2)控制板的FPGA時鐘頻率為50MHz，PCB布線密度大，隨著系統(tǒng)集成度的增加，系統(tǒng)功耗也相對較高，需要對FPGA芯片做必要的散熱措施。
(3)PCB本身基板發(fā)熱，銅導(dǎo)體是PCB基本成型材料之一，銅導(dǎo)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(tǒng)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(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性。
二、FPGA控制板的PCB散熱設(shè)計
2.1電源散熱設(shè)計
FPGA核心控制板接入+5v~b部直流電源，要求可提供lA或以上的電流。電源模塊選擇LDO芯片LT1ll7，它將+5V直流電源轉(zhuǎn)換成主控芯片EP3C5E144C7所需+3.3VVCCIO端口電壓與+1.2VVCCINT內(nèi)核電壓。其中LT1117采用小型SOT23貼片封裝。
通過上述分析可知，設(shè)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(shè)計時對電源模塊的散熱做如下處理：
(1)由于電源模塊長時間工作會產(chǎn)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LDO芯片LT11l7距離設(shè)置20mm或以上。
(2)對放置LDO芯片LT1117位置處進(jìn)行單獨(dú)敷銅處理，有利于電源散熱。
(3)必要時對LDO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(shè)計
在PCB發(fā)熱量大的元件底部和附近放置一些導(dǎo)熱金屬化過孔。散熱過孔是穿透PCB的小孔，孑L徑為0.4蚴～lmm左右…?？讖讲灰颂螅^孔問距設(shè)置為lmm～1.2mm。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(dǎo)至其它散熱層，發(fā)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。
2.3FPGA芯片散熱設(shè)計
FPGA芯片熱量主要來源動態(tài)功耗，如內(nèi)核電壓功耗與I／o電壓功耗，存儲器、內(nèi)部邏輯以及系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗，F(xiàn)PGA控制它功能模塊(如視頻、音頻模塊等)等都會產(chǎn)生功耗，因此伴隨有熱量產(chǎn)生，有必要對FPGA芯片做散熱處理。設(shè)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(shè)計一定數(shù)量的散熱焊盤，根據(jù)實際需要還可加散熱片。
2.4敷銅散熱設(shè)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AltiumDesignerSummer09軟件設(shè)計PCB一般有兩種敷銅方式，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(chǎn)生較大熱量，導(dǎo)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(shè)計時采用柵格狀銅箔，設(shè)置柵格與電路的接地網(wǎng)絡(luò)連通，提高系統(tǒng)的屏蔽效果與散熱性能。
總結(jié)
PCB散熱設(shè)計是保證PCB板工作穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，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(shè)計與應(yīng)用是PCB散熱的核心問題。本文在設(shè)計FPGA核心控制板的PCB時，以分析FPGA控制系統(tǒng)的熱量來源為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)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(jìn)行設(shè)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(xiàn)的特點(diǎn)。
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