FPGA系统控制的PCB热设计技巧

近年来，随着电子产品的小型化、集成化和模块化，电子元器件的组装密度越来越高，有效散热面积越来越小。因此，大功率电子元件的热设计和板级散热问题在电子工程师中变得如此普遍。对于FPGA（现场可编程门阵列）系统而言，散热是决定芯片能否正常工作的关键技术之一。 PCB热设计的目的是通过适当的措施和方法降低元器件和电路板的温度，使系统在适当的温度下工作。尽管PCB的散热措施众多，但必须考虑到一些要求，例如散热成本和实用性。本文在分析实际散热问题的基础上，提出了FPGA系统控制的PCB的热设计方法，以保证FPGA系统控制板良好的散热能力。

FPGA系统控制板和散热问题

本文使用的FPGA系统控制板主要由控制芯片FPGA（Altera Cyclone III系列QFP封装EP3C5E144C7 ^® 组成 )、+3.3V和+1.2V电源电路、50MHz时钟电路、复位电路、JTAG和AS下载接口电路、SRAM存储器和I/O接口。 FPGA系统控制板结构如下图1所示。

FPGA系统控制的PCB热源来源于：
•控制板的+5V、+3.3V、+1.2V等多种电源供电，电源模块在工作时会产生大量热量。很长时间。除非采取有效措施，否则电源模块将无法正常工作。
• 控制板上的FPGA时钟频率为50MHz，PCB走线密度高。系统完整性的提升导致系统功耗较高，需要对FPGA芯片采取必要的散热措施。
• PCB基板自身发热。铜导体是PCB的基础材料之一，铜导体电路会随着电流和功耗的交换而发热。

通过对FPGA控制板控制的电路系统热源的分析，需要对FPGA控制板采取必要的散热措施，以提高整个系统的稳定性和可靠性。

FPGA芯片控制的PCB热设计

1. 电源热设计

FPGA 系统控制板连接到 +5V 外部直流 (DC) 电源，需要提供超过 1A 的电流。选用LDO芯片LT1117（小型SOT-23 SMD封装）作为电源模块，可将+5V DC电源转换为+3.3V VCCIO接口电压和+1.2V VCCINT VCORE。

根据以上分析，在电源电路设计过程中需要两颗LT1117芯片，以满足FPGA对+3.3V和+1.2V的电压要求。 PCB设计过程中功率模块散热措施包括以下几个方面：
• 为保证给FPGA芯片供电的功率模块快速散热，必要时应在LDO芯片上加散热片。
br />• 由于电源模块长时间工作会发热，因此相邻电源模块之间必须保持一定的距离。两个LDO芯片LT1117之间的距离应保持在20mm以上。
•为了散热，应在LDO芯片LT1117的地方独立镀铜，如图2所示。

2. 通孔的热设计

在 PCB 上产生大量热量的元件底部或附近应放置一些导电金属过孔。散热过孔是穿透PCB的小孔，直径在0.4mm到1mm之间，过孔之间的距离在1mm到1.2mm之间。穿透PCB的过孔使正面的能量快速传递到其他散热层，使PCB热侧的元件瞬间冷却，有效增加散热面积，降低电阻。最后，可以提高PCB的功率密度。通孔的热设计如下图3所示。

3. FPGA芯片的热设计

FPGA芯片的热量主要来自VCORE和I/O电压能耗等动态能耗，内存、内部逻辑和系统产生的能耗，以及FPGA在控制其他模块（如视频、无线电模块）时产生的能耗。 .在设计FPGA芯片QFP封装时，在FPGA芯片中心增加了一块铜箔，尺寸为4.5mmx4.5mm，并设计了多个散热焊盘。必要时可加装散热片。 FPGA芯片的热设计如下图4所示。

4. 镀铜热设计

PCB上镀铜既可以增加电路的抗干扰能力，又可以促进PCB的散热。基于 Altium Designer Summer 09 的 PCB 设计通常具有两种类型的镀铜：大面积镀铜和网格状镀铜。大面积带状镀铜的一个缺陷是PCB长时间工作会产生大量热量，使带状铜箔膨胀和脱落。因此，为了获得PCB良好的散热能力，镀铜应采用网格形状，电路的网格与地网连接，以提高系统的屏蔽效果和散热性能。镀铜的热设计如下图5所示。

电路板的热设计在确定PCB的工作稳定性和可靠性方面起着举足轻重的作用，而热设计方法的确定是最重要的考虑因素。本文讨论了FPGA系统控制的PCB散热的一些措施，并从成本和实用性的角度考虑选择合适的方法。

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