Consejos de diseño térmico para PCB controlados por sistema FPGA

Los últimos años han sido testigos de la miniaturización, integridad y modularización de productos electrónicos, lo que ha llevado a una escalada en términos de densidad de ensamblaje de componentes electrónicos y una disminución en términos de área de disipación térmica efectiva. Por lo tanto, el diseño térmico de componentes electrónicos de alta potencia y los problemas de disipación térmica a nivel de placa se vuelven tan frecuentes entre los ingenieros electrónicos. Para el sistema FPGA (matriz de puertas programables en campo), la disipación térmica es una de las tecnologías fundamentales que determinan si el chip es capaz de funcionar normalmente. El propósito del diseño térmico de PCB es disminuir la temperatura de los componentes y la placa a través de medidas y métodos adecuados para que el sistema funcione a la temperatura adecuada. A pesar de las numerosas medidas para disipar el calor de los PCB, se deben tener en cuenta algunos requisitos, como el costo y la viabilidad de la disipación térmica. Este artículo presenta métodos de diseño térmico para PCB controlados por el sistema FPGA basados ​​en el análisis de los problemas prácticos de disipación térmica para garantizar la excelente capacidad de disipación térmica de la placa de control del sistema FPGA.

Placa de control del sistema FPGA y problema de disipación térmica

La placa de control del sistema FPGA utilizada en este artículo consiste principalmente en un chip de control FPGA (EP3C5E144C7 con paquete QFP de la serie Cyclone III de Altera ^® ), circuitos de alimentación de +3,3 V y +1,2 V, circuito de reloj de 50 MHz, circuito de reinicio, circuito de interfaz de descarga JTAG y AS, memoria SRAM e interfaz de E/S. La estructura de la placa de control del sistema FPGA se muestra en la Figura 1 a continuación.

Las fuentes de calor de la placa de circuito impreso controlada por el sistema FPGA se derivan de:
• Numerosos tipos de fuentes de alimentación para la placa de control, como +5 V, +3,3 V y +1,2 V, y los módulos de alimentación generarán una gran cantidad de calor cuando se trabaje durante mucho tiempo. Los módulos de alimentación normalmente no funcionarán a menos que se tomen las medidas adecuadas.
• La frecuencia de reloj de FPGA en la placa de control es de 50 MHz con alta densidad de enrutamiento de PCB. La escalada de la integridad del sistema conduce a un alto consumo de energía del sistema y se deben tomar las medidas de disipación térmica necesarias para el chip FPGA.
• El sustrato de PCB genera calor por sí mismo. El conductor de cobre se encuentra entre los materiales básicos de las PCB y el circuito del conductor de cobre generará calor con el intercambio de corriente y consumo de energía.

Basado en el análisis en términos de fuentes de calor del sistema de circuito controlado por la placa de control FPGA, se deben tomar las medidas necesarias para disipar el calor en la placa de control FPGA para aumentar la estabilidad y confiabilidad de todo el sistema.

Diseño Térmico de PCB Controlado por Chip FPGA

1. Diseño térmico de potencia

La placa de control del sistema FPGA está conectada a una alimentación de corriente continua (CC) externa de +5 V que se requiere para suministrar una corriente de más de 1 A. El chip LDO LT1117 (con un paquete pequeño SOT-23 SMD) se selecciona como el módulo de potencia que es capaz de transformar la potencia de CC de +5 V en un voltaje de interfaz VCCIO de +3,3 V y VCCINT VCORE de +1,2 V.

De acuerdo con el análisis anterior, se necesitan dos chips LT1117 en el proceso de diseño del circuito de potencia para cumplir con los requisitos de voltaje de +3,3 V y +1,2 V por FPGA. Las medidas para disipar el calor de los módulos de potencia en el proceso de diseño de PCB incluyen los siguientes aspectos:
• Para garantizar una disipación térmica rápida del módulo de potencia que suministra energía al chip FPGA, se debe agregar un disipador de calor al chip LDO cuando sea necesario.
• Dado que el módulo de potencia genera calor después de mucho tiempo de trabajo, se debe mantener cierta distancia entre los módulos de potencia adyacentes. La distancia entre dos chips LDO LT1117 debe ser de 20 mm o más.
• Para conducir a la disipación térmica, el recubrimiento de cobre debe realizarse de forma independiente en el lugar del chip LDO LT1117, como se muestra en la Figura 2.

2. Diseño térmico de agujeros pasantes

En la parte inferior de los componentes con gran cantidad de producción de calor en PCB o cerca de ellos, se deben colocar algunas vías de metal conductor. Las vías de disipación térmica son pequeños orificios que penetran en la PCB con un diámetro en el rango de 0,4 mm a 1 mm y con una distancia entre las vías en el rango de 1 mm a 1,2 mm. Las vías que penetran en la PCB hacen que la energía en el frente pase rápidamente a otras capas de disipación térmica para que los componentes en el lado caliente de la PCB se enfríen instantáneamente y el área de disipación térmica aumente de manera efectiva y la resistencia disminuya. Finalmente, se puede mejorar la densidad de potencia de la PCB. El diseño térmico de los orificios pasantes se muestra en la Figura 3 a continuación.

3. Diseño térmico del chip FPGA

El calor del chip FPGA proviene principalmente del consumo de energía dinámica, como el consumo de energía de voltaje de E/S y VCORE, el consumo de energía producido por la memoria, la lógica interna y el sistema, y ​​el consumo de energía producido por FPGA mientras controla otros módulos (video, módulos de radio, por ejemplo) . Cuando se diseña el paquete QFP del chip FPGA, se agrega una lámina de cobre al centro del chip FPGA con un tamaño de 4,5 mm x 4,5 mm y se diseñan varias almohadillas de disipación térmica. Se puede agregar un disipador de calor cuando sea necesario. El diseño térmico del chip FPGA se muestra en la Figura 4 a continuación.

4. Diseño térmico de cobre chapado

El recubrimiento de cobre en PCB puede aumentar la capacidad antiinterferencias de los circuitos y promover la disipación térmica de los PCB. El diseño de PCB basado en Altium Designer Summer 09 generalmente presenta dos tipos de cobre enchapado:cobre enchapado de área grande y cobre enchapado en forma de rejilla. El recubrimiento de cobre en forma de tira de área grande tiene el defecto de que el trabajo prolongado de la placa de circuito impreso puede provocar una gran generación de calor, lo que hará que la lámina de cobre en forma de tira se expanda y se caiga. Por lo tanto, para obtener una excelente capacidad de disipación de calor de PCB, se debe implementar el revestimiento de cobre con forma de rejilla y la conexión entre la red y la red de tierra del circuito para mejorar el efecto de protección del sistema y el rendimiento de disipación térmica. El diseño térmico del recubrimiento de cobre se muestra en la Figura 5 a continuación.

El diseño térmico de las placas de circuito está desempeñando un papel fundamental en la determinación de la estabilidad de trabajo y la confiabilidad de las PCB, y la determinación en términos de métodos de diseño térmico es la consideración más importante. Este artículo analiza algunas medidas para disipar el calor de PCB controlado por el sistema FPGA y se debe elegir un método adecuado teniendo en cuenta el costo y la viabilidad.

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