FPGA 시스템으로 제어되는 PCB의 열 설계 팁

최근 몇 년 동안 전자 제품의 소형화, 무결성 및 모듈화가 목격되어 전자 부품의 조립 밀도 측면에서 확대되고 효과적인 방열 면적 측면에서 감소로 이어집니다. 따라서 고전력 전자 부품의 열 설계 및 보드 수준의 열 발산 문제가 전자 엔지니어들 사이에서 널리 퍼져 있습니다. FPGA(Field Programmable Gate Array) 시스템의 경우 열 방출은 칩이 정상적으로 작동할 수 있는지 여부를 결정하는 핵심 기술 중 하나입니다. PCB 열 설계의 목적은 적절한 온도에서 시스템이 작동하도록 적절한 조치와 방법을 통해 부품과 보드의 온도를 낮추는 것입니다. PCB의 열을 발산하기 위한 수많은 조치에도 불구하고 열 발산 비용 및 실용성과 같은 몇 가지 요구 사항을 고려해야 합니다. 이 기사에서는 FPGA 시스템 제어 보드의 우수한 방열 성능을 보장하기 위해 실제적인 방열 문제 분석을 기반으로 FPGA 시스템으로 제어되는 PCB의 열 설계 방법을 제시합니다.

FPGA 시스템 제어 보드 및 열 방출 문제

이 기사에서 사용된 FPGA 시스템 제어 보드는 주로 제어 칩 FPGA(Altera ^® 의 Cyclone III 시리즈의 QFP 패키지가 포함된 EP3C5E144C7)로 구성됩니다. ), +3.3V 및 +1.2V 전원 회로, 50MHz 클럭 회로, 리셋 회로, JTAG 및 AS 다운로드 인터페이스 회로, SRAM 메모리 및 I/O 인터페이스. FPGA 시스템 제어 보드의 구조는 아래 그림 1과 같습니다.

FPGA 시스템에 의해 제어되는 PCB의 열원은 다음에서 파생됩니다.
• +5V, +3.3V 및 +1.2V와 같은 제어 보드용 전원 공급 장치의 다양한 유형과 전원 모듈은 작업 시 많은 양의 열을 생성합니다. 오랜만이다. 적절한 조치를 취하지 않으면 전원 모듈이 정상적으로 작동하지 않습니다.
• 제어 보드에서 FPGA의 클록 주파수는 고밀도 PCB 라우팅으로 50MHz입니다. 시스템 무결성의 확대는 높은 시스템 전력 소비로 이어지며 필요한 열 방출 조치를 FPGA 칩에 수행해야 합니다.
• PCB 기판은 자체적으로 열을 생성합니다. 구리 도체는 PCB의 기본 재료 중 하나이며 구리 도체 회로는 전류와 소비 전력의 교환으로 열을 발생시킵니다.

FPGA 제어 보드에 의해 제어되는 회로 시스템의 열원 측면에서 분석을 기반으로 전체 시스템의 안정성과 신뢰성을 높이기 위해 FPGA 제어 보드에 필요한 열 방출 조치를 취해야 합니다.

FPGA 칩으로 제어되는 PCB의 열 설계

1. 전력의 열 설계

FPGA 시스템 제어 보드는 1A 이상의 전류를 공급하는 데 필요한 +5V 외부 직류(DC) 전원에 연결됩니다. LDO 칩 LT1117(소형 SOT-23 SMD 패키지 포함)은 +5V DC 전원을 +3.3V VCCIO 인터페이스 전압 및 +1.2V VCCINT VCORE로 변환할 수 있는 전원 모듈로 선택됩니다.

위의 분석에 따르면 FPGA의 +3.3V 및 +1.2V 전압 요구 사항을 충족하려면 전원 회로 설계 과정에서 2개의 LT1117 칩이 필요합니다. PCB 설계 과정에서 전원 모듈의 열을 방산하기 위한 조치는 다음과 같은 측면을 포함합니다.
• FPGA 칩에 전원을 공급하는 전원 모듈의 빠른 방열을 보장하기 위해 필요한 경우 LDO 칩에 방열판을 추가해야 합니다.
• 전원모듈은 장시간 작업시 발열이 발생하므로 인접한 전원모듈 사이에 일정한 거리를 유지하여야 합니다. 두 개의 LDO 칩 LT1117 사이의 거리는 20mm 이상 유지해야 합니다.
• 방열을 위해 그림 2와 같이 LDO 칩 LT1117 대신 구리 도금을 독립적으로 수행해야 합니다.

2. 관통 구멍의 열 설계

PCB에서 열이 많이 발생하는 부품의 바닥이나 그 근처에 전도성 금속 비아를 배치해야 합니다. 방열 비아는 직경이 0.4mm ~ 1mm이고 비아 사이의 거리가 1mm ~ 1.2mm인 PCB를 관통하는 작은 구멍입니다. PCB를 관통하는 Vias는 전면의 에너지를 다른 방열층으로 빠르게 전달하여 PCB의 뜨거운 면에 있는 부품을 즉시 냉각시키고 방열 면적을 효과적으로 증가시키고 저항을 감소시킵니다. 마지막으로 PCB의 전력 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 관통 구멍의 열 설계는 아래 그림 3에 나와 있습니다.

3. FPGA 칩의 열 설계

FPGA 칩의 열은 주로 VCORE 및 I/O 전압 에너지 소비와 같은 동적 에너지 소비, 메모리, 내부 로직 및 시스템에서 생성되는 에너지 소비 및 다른 모듈(예:비디오, 무선 모듈)을 제어하면서 FPGA에서 생성되는 에너지 소비에서 발생합니다. . FPGA 칩 QFP 패키지를 설계할 때 4.5mmx4.5mm 크기의 FPGA 칩 중앙에 동박이 추가되고 여러 개의 방열 패드가 설계됩니다. 필요한 경우 방열판을 추가할 수 있습니다. FPGA 칩의 열 설계는 아래 그림 4에 나와 있습니다.

4. 도금 구리의 열 설계

PCB에 구리를 도금하면 회로의 간섭 방지 기능이 향상되고 PCB의 열 발산이 촉진됩니다. Altium Designer Summer 09를 기반으로 한 PCB 설계는 일반적으로 두 가지 유형의 도금 구리, 즉 넓은 면적 도금 구리와 격자 모양 도금 구리를 특징으로 합니다. 대면적 스트립형 도금동은 PCB를 장시간 작업하면 발열량이 많아 스트립형 동박이 팽창 및 탈락되는 단점이 있습니다. 따라서 PCB의 우수한 방열 성능을 얻기 위해서는 계통의 차폐 효과와 방열 성능이 향상될 수 있도록 그리드 형태의 구리 도금과 회로의 그리드와 접지 네트워크 사이의 연결을 구현해야 합니다. 구리 도금의 열 설계는 아래 그림 5에 나와 있습니다.

회로 기판의 열 설계는 PCB의 작업 안정성과 신뢰성을 결정하는 중추적인 역할을 하며 열 설계 방식의 결정은 가장 중요한 고려 사항입니다. 이 글에서는 FPGA 시스템으로 제어되는 PCB의 열을 발산시키기 위한 몇 가지 방안에 대해 논의하며, 비용과 실용성을 고려하여 적절한 방법을 선택해야 한다.

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