四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘇宏鋒 王 華 李 瑛 祝 良

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FPGA核心控制板的PCB散熱設(shè)計(jì)

四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 蘇宏鋒 王 華 李 瑛 祝 良

【摘要】隨著SMT技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA核心控制板上的元器件不斷微型化，PCB板元件布局、布線越來(lái)越密集，加上系統(tǒng)復(fù)雜度和時(shí)鐘頻率的提升，整個(gè)系統(tǒng)的功耗隨之增加。因此，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，PCB散熱設(shè)計(jì)尤為重要。本文從分析FPGA核心控制板的PCB存在的散熱問(wèn)題入手，基于Altium Designer Summer 09的PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)FPGA核心控制板的供電電源、控制芯片進(jìn)行散熱處理，以及過(guò)孔散熱和敷銅散熱措施，保證PCB板的散熱性能。

【關(guān)鍵詞】FPGA核心控制板；散熱；PCB；過(guò)孔；敷銅

0 引言

近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品的微型化、集成化與模塊化，電子元件的安裝密度增大，有效散熱面積減小[1]。因此，大功率電子元件的熱設(shè)計(jì)與電路板的板級(jí)散熱問(wèn)題備受電子工程師的關(guān)注。FPGA控制系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵技術(shù)之一就是系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。PCB熱設(shè)計(jì)的目的是采取適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ń档驮骷臏囟群蚉CB板的溫度，使系統(tǒng)在合適的溫度下正常工作[2]。雖然PCB的散熱措施很多，但需要考慮到散熱成本與實(shí)用性的要求。本文通過(guò)分析FPGA核心控制板實(shí)際存在的散熱問(wèn)題，對(duì)FPGA控制板的PCB進(jìn)行必要的散熱設(shè)計(jì)，使FPGA控制板工作時(shí)具有良好的散熱性能。

1 FPGA控制板與散熱問(wèn)題

設(shè)計(jì)一種教學(xué)與科研應(yīng)用的FPGA核心控制板，主要由主控芯片F(xiàn)PGA、+3.3V與+1.2V電源電路、50MHz時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG與AS下載接口電路、SRAM存儲(chǔ)器以及I/O引出接口等部分組成。主控芯片F(xiàn)PGA采用Altera公司的Cyclone III 系列QFP封裝的EP3C5E144C7。FPGA核心控制板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 FPGA核心控制板系統(tǒng)架構(gòu)

FPGA核心控制板PCB的熱量主要來(lái)源有：

（1）控制板需要+5V、+3.3V與+1.2V等多種電源供電，電源模塊長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)出大量的熱量，如果不采取有效散熱措施，導(dǎo)致電源模塊發(fā)燙無(wú)法正常工作。

（2）控制板的FPGA時(shí)鐘頻率為50MHz，PCB布線密度大，隨著系統(tǒng)集成度的增加，系統(tǒng)功耗也相對(duì)較高，需要對(duì)FPGA芯片做必要的散熱措施。

（3）PCB本身基板發(fā)熱[3]，銅導(dǎo)體是PCB基本成型材料之一，銅導(dǎo)體覆蝕線路自身電阻因電流交變功率損耗而制熱。

基于以上FPGA核心控制板的電路系統(tǒng)熱量來(lái)源分析，需要對(duì)FPGA核心控制板采取必要的散熱措施，提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性。

2 FPGA控制板的PCB散熱設(shè)計(jì)

2.1 電源散熱設(shè)計(jì)

FPGA核心控制板接入+5V外部直流電源，要求可提供1A或以上的電流。電源模塊選擇LDO芯片LT1117，它將+5V直流電源轉(zhuǎn)換成主控芯片EP3C5E144C7所需+3.3V VCCIO端口電壓與+1.2V VCCINT內(nèi)核電壓。其中LT1117采用小型SOT-23貼片封裝。

通過(guò)上述分析可知，設(shè)計(jì)電源電路時(shí)需要兩片LT1117芯片，滿足FPGA所需的+3.3V與+1.2V電壓的供電要求，PCB設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電源模塊的散熱做如下處理：

（1）由于電源模塊長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，相鄰電源模塊布局時(shí)保持一定距離，距離太近不利于散熱，布局時(shí)將兩個(gè)LDO芯片LT1117距離設(shè)置20mm或以上。

（2）對(duì)放置LDO芯片LT1117位置處進(jìn)行單獨(dú)敷銅處理，有利于電源散熱，如圖2所示。

（3）必要時(shí)對(duì)LDO芯片增加散熱片，保證電源模塊快速散熱，為FPGA芯片正常供電。

2.2 散熱過(guò)孔設(shè)計(jì)

在PCB發(fā)熱量大的元件底部和附近放置一些導(dǎo)熱金屬化過(guò)孔。散熱過(guò)孔是穿透PCB 的小孔，孔徑為0.4mm～1mm左右[4]?？讖讲灰颂?，過(guò)孔間距設(shè)置為1mm～1.2mm。過(guò)孔穿透印制電路板，使印制板正面的熱量延PCB背面快速傳導(dǎo)至其它散熱層，發(fā)熱面的元件快速冷卻，而且可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。金屬化通孔散熱設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 電源模塊底部敷銅處理

圖3 過(guò)孔散熱

2.3 FPGA芯片散熱設(shè)計(jì)

FPGA芯片熱量主要來(lái)源動(dòng)態(tài)功耗，如內(nèi)核電壓功耗與I/O電壓功耗，存儲(chǔ)器、內(nèi)部邏輯以及系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗，F(xiàn)PGA控制它功能模塊（如視頻、音頻模塊等）等都會(huì)產(chǎn)生功耗，因此伴隨有熱量產(chǎn)生，有必要對(duì)FPGA芯片做散熱處理。設(shè)計(jì)FPGA芯片的QFP封裝時(shí)，在FPGA芯片中心處加了一塊尺寸為4.5mmX4.5mm的銅箔，并設(shè)計(jì)一定數(shù)量的散熱焊盤(pán)[5]，根據(jù)實(shí)際需要還可加散熱片，F(xiàn)PGA芯片散熱處理方法如圖4所示。

圖4 FPGA芯片散熱

2.4 敷銅散熱設(shè)計(jì)

PCB敷銅不但可以提高電路的抗干擾能力，還能有效促使 PCB板的散熱。采用Altium Designer Summer 09軟件設(shè)計(jì)PCB一般有兩種敷銅方式，即大面積敷銅與柵格狀敷銅。大面積條狀銅箔存在的缺陷是PCB板長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生較大熱量，導(dǎo)致條狀銅箔容易膨脹和脫落。因此，考慮到PCB良好的散熱性能，對(duì)PCB敷銅設(shè)計(jì)時(shí)采用柵格狀銅箔，設(shè)置柵格與電路的接地網(wǎng)絡(luò)連通，提高系統(tǒng)的屏蔽效果與散熱性能。FPGA控制板的敷銅散熱設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 控制板敷銅散熱

3 結(jié)束語(yǔ)

PCB散熱設(shè)計(jì)是保證PCB板工作穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而散熱方法的選擇是要首要考慮的因素，具體散熱措施的設(shè)計(jì)與應(yīng)用是PCB散熱的核心問(wèn)題。本文在設(shè)計(jì)FPGA核心控制板的PCB時(shí)，以分析FPGA控制系統(tǒng)的熱量來(lái)源為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際散熱需求，對(duì)FPGA控制板的電源模塊、FPGA控制芯片、散熱過(guò)孔與敷銅散熱等進(jìn)行設(shè)計(jì)。FPGA控制板所采用的散熱方法具有實(shí)用性、低成本與易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

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蘇宏鋒（1984—），男，江西上饒人，碩士研究生，助理講師，研究方向：FPGA系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

作者簡(jiǎn)介：