एफपीजीए सर्किट बोर्ड का थर्मल डिजाइन

एफपीजीए कोर नियंत्रण बोर्ड का पीसीबी ताप अपव्यय डिजाइन

हाल के वर्षों में, इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के लघुकरण, एकीकरण और मॉड्यूलरीकरण के साथ, इलेक्ट्रॉनिक घटकों की स्थापना घनत्व में वृद्धि हुई है और प्रभावी गर्मी अपव्यय क्षेत्र में कमी आई है। इसलिए, उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक घटकों के थर्मल डिजाइन और सर्किट बोर्डों के बोर्ड-स्तरीय गर्मी अपव्यय ने इलेक्ट्रॉनिक इंजीनियरों का ध्यान आकर्षित किया है। एफपीजीए नियंत्रण प्रणाली सामान्य रूप से काम कर सकती है या नहीं इसकी प्रमुख प्रौद्योगिकियों में से एक प्रणाली का ताप अपव्यय है। पीसीबी थर्मल डिज़ाइन का उद्देश्य घटकों और पीसीबी बोर्ड के तापमान को कम करने के लिए उचित उपाय और तरीके अपनाना है, ताकि सिस्टम उचित तापमान पर सामान्य रूप से काम कर सके। यद्यपि पीसीबी के लिए कई ताप अपव्यय उपाय हैं, लेकिन ऊष्मा अपव्यय लागत और व्यावहारिकता की आवश्यकताओं पर विचार करना आवश्यक है। इस पेपर में, एफपीजीए कोर नियंत्रण बोर्ड की वास्तविक गर्मी अपव्यय समस्याओं के विश्लेषण के माध्यम से, एफपीजीए नियंत्रण बोर्ड के पीसीबी के लिए आवश्यक गर्मी अपव्यय डिजाइन किया जाता है, ताकि काम करते समय एफपीजीए नियंत्रण बोर्ड में अच्छा गर्मी अपव्यय प्रदर्शन हो। .

1. एफपीजीए नियंत्रण बोर्ड और गर्मी लंपटता
शिक्षण और वैज्ञानिक अनुसंधान अनुप्रयोगों के लिए एक एफपीजीए कोर नियंत्रण बोर्ड डिज़ाइन करें, जो मुख्य रूप से मुख्य नियंत्रण चिप एफपीजीए, प्लस 3.3 वी और प्लस 1.2 वी बिजली आपूर्ति सर्किट, 50 मेगाहर्ट्ज क्लॉक सर्किट, रीसेट सर्किट, जेटीएजी और एएस डाउनलोड इंटरफ़ेस सर्किट, एसआरएएम मेमोरी से बना है। और I/O इंटरफ़ेस और अन्य भागों का नेतृत्व कर रहा है। मुख्य नियंत्रण चिप FPGA, Altera कंपनी के CycloneIII श्रृंखला QFP पैकेज में EP3C5E144C7 को अपनाता है। एफपीजीए कोर नियंत्रण बोर्ड प्रणाली की संरचना चित्र 1 में दिखाई गई है।

चित्र 1 एफपीजीए कोर नियंत्रण बोर्ड सिस्टम आर्किटेक्चर

एफपीजीए कोर कंट्रोल बोर्ड पीसीबी पर गर्मी के मुख्य स्रोत हैं:

(1) नियंत्रण बोर्ड को विभिन्न बिजली आपूर्ति जैसे प्लस 5 वी, प्लस 3.3 वी और प्लस 1.2 वी की आवश्यकता होती है। लंबे समय तक काम करने पर पावर मॉड्यूल बहुत अधिक गर्मी पैदा करता है। यदि प्रभावी शीतलन उपाय नहीं किए जाते हैं, तो पावर मॉड्यूल गर्म हो जाएगा और सामान्य रूप से काम नहीं कर पाएगा।

(2) नियंत्रण बोर्ड की एफपीजीए घड़ी आवृत्ति 50 मेगाहर्ट्ज है, और पीसीबी वायरिंग घनत्व अधिक है। सिस्टम एकीकरण में वृद्धि के साथ, सिस्टम बिजली की खपत अपेक्षाकृत अधिक है, और एफपीजीए चिप के लिए आवश्यक गर्मी अपव्यय उपाय किए जाने चाहिए।

(3) पीसीबी का सब्सट्रेट स्वयं गर्मी उत्पन्न करता है, और कॉपर कंडक्टर पीसीबी की बुनियादी मोल्डिंग सामग्री में से एक है। तांबे की कंडक्टर-लेपित संक्षारण लाइन का प्रतिरोध प्रत्यावर्ती धारा शक्ति के नुकसान के कारण स्वयं गर्म हो जाता है।

एफपीजीए कोर नियंत्रण बोर्ड के सर्किट सिस्टम के ताप स्रोत के उपरोक्त विश्लेषण के आधार पर, सिस्टम की स्थिरता और विश्वसनीयता में सुधार के लिए एफपीजीए कोर नियंत्रण बोर्ड के लिए आवश्यक ताप अपव्यय उपाय करना आवश्यक है।

2. एफपीजीए नियंत्रण बोर्ड का पीसीबी ताप अपव्यय डिजाइन
2.1 पावर कूलिंग डिज़ाइन

FPGA कोर नियंत्रण बोर्ड प्लस 5v~b DC बिजली आपूर्ति से जुड़ा है, जिसे lA या इससे ऊपर का करंट प्रदान करने के लिए आवश्यक है। पावर मॉड्यूल LDO चिप LT1ll7 को चुनता है, जो प्लस 5V DC बिजली आपूर्ति को प्लस 3.3VVCCIO पोर्ट वोल्टेज और प्लस 1.2VVCCINT कोर वोल्टेज में परिवर्तित करता है जो मुख्य नियंत्रण चिप EP3C5E144C7 के लिए आवश्यक है। LT1117 को एक छोटी SOT23 चिप में पैक किया गया है।

उपरोक्त विश्लेषण के माध्यम से, यह ज्ञात हो सकता है कि FPGA द्वारा आवश्यक प्लस 3.3V और प्लस 1.2V की बिजली आपूर्ति आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पावर सर्किट को डिजाइन करने के लिए दो LT1117 चिप्स की आवश्यकता होती है। पीसीबी डिज़ाइन के दौरान पावर मॉड्यूल के ताप अपव्यय को निम्नानुसार नियंत्रित किया जाता है:

(1) चूंकि पावर मॉड्यूल लंबे समय तक काम करने पर एक निश्चित मात्रा में गर्मी उत्पन्न करेंगे, आसन्न पावर मॉड्यूल बिछाते समय एक निश्चित दूरी रखें। यदि दूरी बहुत करीब है, तो यह गर्मी अपव्यय के लिए अनुकूल नहीं है। बिछाते समय, दो एलडीओ चिप्स LT11l7 के बीच की दूरी 20 मिमी या अधिक पर सेट करें।

(2) उस स्थान पर अलग से कॉपर कोटिंग उपचार करें जहां एलडीओ चिप एलटी1117 रखा गया है, जो बिजली आपूर्ति की गर्मी अपव्यय के लिए अनुकूल है।

(3) यदि आवश्यक हो, तो पावर मॉड्यूल की तेजी से गर्मी अपव्यय सुनिश्चित करने और एफपीजीए चिप के लिए सामान्य बिजली आपूर्ति प्रदान करने के लिए एलडीओ चिप में हीट सिंक जोड़ें।

2.2 डिजाइन के माध्यम से गर्मी अपव्यय

पीसीबी पर बहुत अधिक गर्मी उत्पन्न करने वाले घटकों के नीचे और पास में कुछ ताप-संचालन धातुयुक्त विअस रखें। गर्मी अपव्यय एक छोटे छेद के माध्यम से होता है जो पीसीबी में प्रवेश करता है, और व्यास लगभग 0.4 मिमी से 1 मिमी है। . . एपर्चर बहुत बड़ा नहीं होना चाहिए, और विअस के बीच की दूरी 1 मिमी से 1.2 मिमी पर सेट की जानी चाहिए। छिद्रों के माध्यम से मुद्रित सर्किट बोर्ड में प्रवेश होता है, जिससे मुद्रित बोर्ड के सामने की गर्मी पीसीबी के पीछे अन्य गर्मी अपव्यय परतों में तेजी से संचारित होती है, और हीटिंग सतह पर घटक जल्दी से ठंडा हो जाते हैं, और प्रभावी ढंग से बढ़ सकते हैं गर्मी अपव्यय क्षेत्र और थर्मल प्रतिरोध को कम करता है, जिससे सर्किट बोर्ड घनत्व की शक्ति बढ़ जाती है।

2.3 एफपीजीए चिप ताप अपव्यय डिजाइन

एफपीजीए चिप हीट का मुख्य स्रोत गतिशील बिजली की खपत है, जैसे कोर वोल्टेज बिजली की खपत और आई/ओ वोल्टेज बिजली की खपत, मेमोरी, आंतरिक तर्क और सिस्टम द्वारा उत्पन्न बिजली की खपत, और इसके कार्यात्मक मॉड्यूल (जैसे वीडियो) का एफपीजीए नियंत्रण , ऑडियो मॉड्यूल, आदि) बिजली उत्पन्न करेगा इसलिए, गर्मी उत्पन्न होने पर एफपीजीए चिप पर गर्मी को खत्म करना आवश्यक है। एफपीजीए चिप के क्यूएफपी पैकेज को डिजाइन करते समय, 4.5 मिमीX4.5 मिमी के आकार के साथ एक तांबे की पन्नी को एफपीजीए चिप के केंद्र में जोड़ा जाता है, और एक निश्चित संख्या में गर्मी अपव्यय पैड डिजाइन किए जाते हैं, और गर्मी सिंक को भी तदनुसार जोड़ा जा सकता है वास्तविक जरूरतों के लिए.

2.4 तांबे की गर्मी लंपटता डिजाइन

पीसीबी कॉपर कोटिंग न केवल सर्किट की हस्तक्षेप-विरोधी क्षमता में सुधार कर सकती है, बल्कि पीसीबी बोर्ड की गर्मी अपव्यय को भी प्रभावी ढंग से बढ़ावा दे सकती है। AltiumDesignerSummer09 सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके पीसीबी डिज़ाइन में कॉपर क्लैडिंग की आम तौर पर दो विधियाँ हैं, अर्थात्, बड़े क्षेत्र की कॉपर क्लैडिंग और ग्रिड के आकार की कॉपर क्लैडिंग। बड़े क्षेत्र वाली स्ट्रिप कॉपर फ़ॉइल का नुकसान यह है कि पीसीबी बोर्ड लंबे समय तक काम करने पर बहुत अधिक गर्मी उत्पन्न करेगा, जिससे स्ट्रिप कॉपर फ़ॉइल का विस्तार करना और गिरना आसान हो जाता है। इसलिए, पीसीबी के अच्छे ताप अपव्यय प्रदर्शन को ध्यान में रखते हुए, पीसीबी कॉपर क्लैडिंग के डिजाइन में ग्रिड के आकार की तांबे की पन्नी का उपयोग किया जाता है, और परिरक्षण प्रभाव और गर्मी अपव्यय प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए ग्रिड को सर्किट के ग्राउंडिंग नेटवर्क से जोड़ा जाता है। प्रणाली।

पीसीबी गर्मी अपव्यय डिजाइन पीसीबी बोर्डों की स्थिरता और विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए एक महत्वपूर्ण कड़ी है, और गर्मी अपव्यय विधि की पसंद पर विचार किया जाने वाला प्राथमिक कारक है। विशिष्ट ऊष्मा अपव्यय उपायों का डिज़ाइन और अनुप्रयोग पीसीबी ऊष्मा अपव्यय का मुख्य मुद्दा है। इस पेपर में, एफपीजीए कोर नियंत्रण बोर्ड के पीसीबी को डिजाइन करते समय, एफपीजीए नियंत्रण प्रणाली के ताप स्रोत का विश्लेषण प्रारंभिक बिंदु है, और वास्तविक गर्मी अपव्यय आवश्यकताओं के अनुसार, एफपीजीए नियंत्रण बोर्ड का पावर मॉड्यूल, एफपीजीए नियंत्रण चिप, ताप अपव्यय वाया और तांबे ताप अपव्यय को डिज़ाइन किया गया है। एफपीजीए नियंत्रण बोर्ड द्वारा अपनाई गई गर्मी अपव्यय विधि में व्यावहारिकता, कम लागत और आसान प्राप्ति की विशेषताएं हैं।