FPGA系统PCB热管理优化设计

近年来电子产品小型化、集成化、模块化趋势显著，导致电子元件装配密度剧增、有效散热面积锐减。因此，大功率电子元件热设计与板级散热问题成为电子工程师普遍关注焦点。对FPGA（现场可编程门阵列）系统，散热是决定芯片能否正常工作的关键技术之一。PCB热设计旨在通过适当措施降低元件与板卡温度，使系统在适宜温度下工作。尽管PCB散热措施众多，但必须考虑散热成本与实用性。本文基于实际散热问题分析，提出FPGA系统控制板热设计方法，确保FPGA系统控制板优异散热能力。

FPGA系统控制板与散热问题

本文所用FPGA系统控制板主要包含：控制芯片FPGA（Altera® Cyclone III系列EP3C5E144C7，QFP封装）、+3.3V和+1.2V电源电路、50MHz时钟电路、复位电路、JTAG与AS下载接口电路、SRAM存储器和I/O接口。FPGA系统控制板结构如图1所示。

FPGA系统控制板热源来自：

• 多种电源为控制板供电（+5V、+3.3V、+1.2V），电源模块长时间工作产生大量热量，不采取有效措施无法正常工作。
• 控制板FPGA时钟频率50MHz，PCB布线高密度，系统集成度提升导致功耗高，FPGA芯片必须采取必要散热措施。
• PCB基板自身发热。铜导体是PCB基础材料，铜导体电路随电流交换和功耗产生热量。

基于FPGA控制板电路系统热源分析，必须对FPGA控制板采取必要散热措施，以提高整个系统稳定性和可靠性。

FPGA芯片控制PCB热设计

1. 电源热设计

FPGA系统控制板接入+5V外部直流（DC）电源，需供电>1A电流。选用LDO芯片LT1117（小型SOT-23 SMD封装）作电源模块，将+5V直流电转换为+3.3V VCCIO接口电压和+1.2V VCCINT核心电压。

根据上述分析，电源电路设计需两片LT1117芯片以满足FPGA对+3.3V和+1.2V电压要求。电源模块PCB散热措施包括：

• 为确保供电FPGA芯片的电源模块快速散热，必要时给LDC芯片加装散热器。
• 电源模块长时间工作发热，相邻电源模块间必须保持距离。两片LT1117芯片间距应≥20mm。
• 为利于散热，LDO芯片LT1117处应独立铺铜，如图2所示。

2. 通孔热设计

大发热元件底部或附近应放置导电金属过孔。散热过孔为贯穿PCB的小孔，直径0.4-1mm，过孔间距1-1.2mm。贯穿过孔使正面能量快速传至其他散热层，使PCB热侧元件瞬间降温，有效增加散热面积、降低热阻，最终提高PCB功率密度。通孔热设计如图3所示。

3. FPGA芯片热设计

FPGA芯片热量主要来自：VCORE和I/O电压动态功耗、存储器/内部逻辑/系统功耗、FPGA控制其他模块（视频、射频模块等）产生的功耗。设计FPGA芯片QFP封装时，在芯片中心添加4.5mm×4.5mm铜箔并设计多个散热焊盘，必要时加装散热器。FPGA芯片热设计如图4所示。

4. 铺铜热设计

PCB铺铜既能增强电路抗干扰能力，又能促进散热。基于Altium Designer Summer 09的PCB设计通常有两种铺铜：大面积铺铜和网格状铺铜。大面积条状铺铜有缺陷：PCB长时间工作产热大，导致条状铜箔膨胀脱落。因此为获得优异散热能力，铺铜应采用网格状，并将网格与电路地网络连接，提升系统屏蔽效果和散热性能。铺铜热设计如图5所示。

电路板热设计在决定PCB工作稳定性和可靠性方面起关键作用，热设计方法的确定是最重要考量。本文探讨FPGA系统控制板散热措施，应结合成本与实用性选择合适方法。

参考资源
• PCB最全面热设计原则
• PCB热设计考量
• 高温环境下大功率PCB设计
• 金属基PCB：解决PCB/PCBA热问题的理想方案
• PCBCart全功能PCB制造服务 - 多种增值选项
• PCBCart高阶PCB组装服务 - 单片起订