FPGA 시스템을 위한 PCB 열 관리 최적화

최근 전자 제품의 소형화, 집적화, 모듈화로 인해 전자 부품 조립 밀도가 높아지고 효과적인 방열 면적이 감소했습니다. 따라서 고전력 전자 부품 열 설계와 보드 레벨 방열 문제가 전자 엔지니어들 사이에서 매우 보편화되었습니다. FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이) 시스템에서 열 방산은 칩이 정상적으로 작동할 수 있는지 결정하는 핵심 기술 중 하나입니다. PCB 열 설계의 목적은 적절한 조치와 방법을 통해 부품과 보드 온도를 낮추어 시스템이 적절한 온도에서 작동하도록 하는 것입니다. PCB 방열 조치는 많지만 열 방산 비용과 실용성 같은 요구사항을 고려해야 합니다. 이 글은 실제 방열 문제 분석을 바탕으로 FPGA 시스템 제어 보드용 PCB 열 설계 방법을 제시하여 FPGA 시스템 제어 보드의 우수한 방열 능력을 보장합니다.

FPGA 시스템 제어 보드와 방열 문제

이 글에서 사용된 FPGA 시스템 제어 보드는 주로 제어 칩 FPGA(Altera® Cyclone III 시리즈 EP3C5E144C7, QFP 패키지), +3.3V 및 +1.2V 전원 회로, 50MHz 클럭 회로, 리셋 회로, JTAG 및 AS 다운로드 인터페이스 회로, SRAM 메모리, I/O 인터페이스로 구성됩니다. FPGA 시스템 제어 보드 구조는 아래 그림 1과 같습니다.

FPGA 시스템 제어 보드의 열원은 다음과 같습니다:

• 제어 보드용 다양한 유형의 전원 공급 장치(+5V, +3.3V, +1.2V 등)와 전원 모듈은 장시간 작동 시 많은 열을 발생시킵니다. 적절한 조치를 효과적으로 취하지 않으면 전원 모듈이 정상적으로 작동하지 않습니다.
• 제어 보드上の FPGA 클럭 주파수는 50MHz이며 PCB 라우팅 밀도가 높습니다. 시스템 집적도 향상으로 시스템 전력 소비가 높아져 FPGA 칩에 필요한 방열 조치를 취해야 합니다.
• PCB 기판 자체가 열을 발생시킵니다. 구리 도체는 PCB 기본 재료 중 하나이며 구리 도체 회로는 전류 교환과 전력 소비로 열을 발생시킵니다.

FPGA 제어 보드 제어 회로 시스템의 열원 분석을 바탕으로, 전체 시스템 안정성과 신뢰성을 높이기 위해 FPGA 제어 보드에 필요한 방열 조치를 취해야 합니다.

FPGA 칩 제어 PCB 열 설계

1. 전원 열 설계

FPGA 시스템 제어 보드는 +5V 외부 직류(DC) 전원에 연결되며 1A 이상의 전류 공급이 필요합니다. LDO 칩 LT1117(소형 SOT-23 SMD 패키지)을 전원 모듈로 선택하여 +5V DC 전원을 +3.3V VCCIO 인터페이스 전압과 +1.2V VCCINT VCORE로 변환합니다.

위 분석에 따라 FPGA의 +3.3V와 +1.2V 전압 요건을 충족하기 위해 전원 회로 설계 과정에서 두 개의 LT1117 칩이 필요합니다. PCB 설계 과정에서 전원 모듈 방열 조치는 다음과 같습니다:

• FPGA 칩에 전원을 공급하는 전원 모듈의 빠른 방열을 위해 필요한 경우 LDO 칩에 방열판을 추가합니다.
• 전원 모듈은 장시간 작동 후 열을 발생시키므로 인접 전원 모듈 간 일정 거리를 유지해야 합니다. 두 LT1117 칩 간 거리는 20mm 이상 유지해야 합니다.
• 방열을 돕기 위해 LDO 칩 LT1117 위치에 독립적으로 동도금(copper plating)을 수행해야 합니다(그림 2 참조).

2. 스루홀 열 설계

PCB上に 대량 발열 부품 하단이나 근처에 전도성 금속 비아를 배치해야 합니다. 방열 비아는 PCB를 관통하는 직경 0.4~1mm, 비아 간 거리 1~1.2mm 범위의 작은 구멍입니다. PCB를 관통하는 비아는 전면 에너지를 다른 방열 레이어로 빠르게 전달하여 PCB 뜨거운 면上の 부품을 즉시 냉각시키고 방열 면적을 효과적으로 늘리며 저항을 감소시킵니다. 최종적으로 PCB 전력 밀도를 향상시킬 수 있습니다. 스루홀 열 설계는 아래 그림 3과 같습니다.

3. FPGA 칩 열 설계

FPGA 칩 열은 주로 VCORE 및 I/O 전압 에너지 소비 같은 동적 에너지 소비, 메모리/내부 로직/시스템 에너지 소비, FPGA가 다른 모듈(비디오, 라디오 모듈 등)을 제어하면서 발생하는 에너지 소비에서 비롯됩니다. FPGA 칩 QFP 패키지 설계 시 FPGA 칩 중심에 4.5mm×4.5mm 크기 구리 박막을 추가하고 여러 방열 패드를 설계합니다. 필요시 방열판을 추가할 수 있습니다. FPGA 칩 열 설계는 아래 그림 4와 같습니다.

4. 동도금 열 설계

PCB上の 동도금은 회로 내간섭 능력을 높일 뿐만 아니라 PCB 방열도 촉진합니다. Altium Designer Summer 09 기반 PCB 설계는 일반적으로 넓은 면적 동도금과 격자 형상 동도금 두 가지 유형이 있습니다. 넓은 면적 스트립 형상 동도금은 PCB 장시간 작동 시 많은 열 발생으로 스트립 형상 구리 박막이 팽창하여 탈락하는 결함이 있습니다. 따라서 PCB 우수한 방열 능력을 얻기 위해 동도금은 격자 형상으로 구현하고 회로 그라운드 네트워크와 연결하여 시스템 차폐 효과와 방열 성능을 개선해야 합니다. 동도금 열 설계는 아래 그림 5와 같습니다.

회로 기판 열 설계는 PCB 작동 안정성과 신뢰성을 결정하는 핵심 역할을 하며, 열 설계 방법 결정이 가장 중요한 고려사항입니다. 이 글은 FPGA 시스템 제어 PCB 방열 조치를 논의했으며 비용과 실용성을 고려하여 적절한 방법을 선택해야 합니다.

유용한 참고 자료

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