FPGA核心控制板的PCB散热设计

四川交通职业技术学院 苏宏锋 王 华 李 瑛 祝 良



FPGA核心控制板的PCB散热设计

四川交通职业技术学院 苏宏锋 王 华 李 瑛 祝 良

【摘要】随着SMT技术的快速发展，FPGA核心控制板上的元器件不断微型化，PCB板元件布局、布线越来越密集，加上系统复杂度和时钟频率的提升，整个系统的功耗随之增加。因此，为保证系统运行的稳定性与可靠性，PCB散热设计尤为重要。本文从分析FPGA核心控制板的PCB存在的散热问题入手，基于Altium Designer Summer 09的PCB设计平台，对FPGA核心控制板的供电电源、控制芯片进行散热处理，以及过孔散热和敷铜散热措施，保证PCB板的散热性能。

【关键词】FPGA核心控制板；散热；PCB；过孔；敷铜

0 引言

近年来，随着电子产品的微型化、集成化与模块化，电子元件的安装密度增大，有效散热面积减小[1]。因此，大功率电子元件的热设计与电路板的板级散热问题备受电子工程师的关注。FPGA控制系统能否正常工作的关键技术之一就是系统的散热问题。PCB热设计的目的是采取适当的措施和方法降低元器件的温度和PCB板的温度，使系统在合适的温度下正常工作[2]。虽然PCB的散热措施很多，但需要考虑到散热成本与实用性的要求。本文通过分析FPGA核心控制板实际存在的散热问题，对FPGA控制板的PCB进行必要的散热设计，使FPGA控制板工作时具有良好的散热性能。

1 FPGA控制板与散热问题

设计一种教学与科研应用的FPGA核心控制板，主要由主控芯片FPGA、+3.3V与+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存储器以及I/O引出接口等部分组成。主控芯片FPGA采用Altera公司的Cyclone III 系列QFP封装的EP3C5E144C7。FPGA核心控制板系统结构组成如图1所示。

图1 FPGA核心控制板系统架构

FPGA核心控制板PCB的热量主要来源有：

（1）控制板需要+5V、+3.3V与+1.2V等多种电源供电，电源模块长时间工作产出大量的热量，如果不采取有效散热措施，导致电源模块发烫无法正常工作。

（2）控制板的FPGA时钟频率为50MHz，PCB布线密度大，随着系统集成度的增加，系统功耗也相对较高，需要对FPGA芯片做必要的散热措施。

（3）PCB本身基板发热[3]，铜导体是PCB基本成型材料之一，铜导体覆蚀线路自身电阻因电流交变功率损耗而制热。

基于以上FPGA核心控制板的电路系统热量来源分析，需要对FPGA核心控制板采取必要的散热措施，提高系统工作的稳定性与可靠性。

2 FPGA控制板的PCB散热设计

2.1 电源散热设计

FPGA核心控制板接入+5V外部直流电源，要求可提供1A或以上的电流。电源模块选择LDO芯片LT1117，它将+5V直流电源转换成主控芯片EP3C5E144C7所需+3.3V VCCIO端口电压与+1.2V VCCINT内核电压。其中LT1117采用小型SOT-23贴片封装。

通过上述分析可知，设计电源电路时需要两片LT1117芯片，满足FPGA所需的+3.3V与+1.2V电压的供电要求，PCB设计时对电源模块的散热做如下处理：

（1）由于电源模块长时间工作会产生一定的热量，相邻电源模块布局时保持一定距离，距离太近不利于散热，布局时将两个LDO芯片LT1117距离设置20mm或以上。

（2）对放置LDO芯片LT1117位置处进行单独敷铜处理，有利于电源散热，如图2所示。

（3）必要时对LDO芯片增加散热片，保证电源模块快速散热，为FPGA芯片正常供电。

2.2 散热过孔设计

在PCB发热量大的元件底部和附近放置一些导热金属化过孔。散热过孔是穿透PCB 的小孔，孔径为0.4mm～1mm左右[4]。孔径不宜太大，过孔间距设置为1mm～1.2mm。过孔穿透印制电路板，使印制板正面的热量延PCB背面快速传导至其它散热层，发热面的元件快速冷却，而且可以有效地提高散热面积和减少热阻，提高电路板的功率密度。金属化通孔散热设计如图3所示。

图2 电源模块底部敷铜处理

图3 过孔散热

2.3 FPGA芯片散热设计

FPGA芯片热量主要来源动态功耗，如内核电压功耗与I/O电压功耗，存储器、内部逻辑以及系统产生的功耗，FPGA控制它功能模块（如视频、音频模块等）等都会产生功耗，因此伴随有热量产生，有必要对FPGA芯片做散热处理。设计FPGA芯片的QFP封装时，在FPGA芯片中心处加了一块尺寸为4.5mmX4.5mm的铜箔，并设计一定数量的散热焊盘[5]，根据实际需要还可加散热片，FPGA芯片散热处理方法如图4所示。

图4 FPGA芯片散热

2.4 敷铜散热设计

PCB敷铜不但可以提高电路的抗干扰能力，还能有效促使 PCB板的散热。采用Altium Designer Summer 09软件设计PCB一般有两种敷铜方式，即大面积敷铜与栅格状敷铜。大面积条状铜箔存在的缺陷是PCB板长时间工作会产生较大热量，导致条状铜箔容易膨胀和脱落。因此，考虑到PCB良好的散热性能，对PCB敷铜设计时采用栅格状铜箔，设置栅格与电路的接地网络连通，提高系统的屏蔽效果与散热性能。FPGA控制板的敷铜散热设计如图5所示。

图5 控制板敷铜散热

3 结束语

PCB散热设计是保证PCB板工作稳定性和可靠性的关键环节，而散热方法的选择是要首要考虑的因素，具体散热措施的设计与应用是PCB散热的核心问题。本文在设计FPGA核心控制板的PCB时，以分析FPGA控制系统的热量来源为出发点，根据实际散热需求，对FPGA控制板的电源模块、FPGA控制芯片、散热过孔与敷铜散热等进行设计。FPGA控制板所采用的散热方法具有实用性、低成本与易实现的特点。

参考文献

[1]高洪岩.电子设备的热设计探析[J].电子世界,2014(2):86-86.

[2]管美章.印制电路板的热设计及其实施[J].印制电路板信息,2008(4):27-30.

[3]彭伟,张根等.多层印制电路板热设计方法研究[J].电子技术,2014(2):60-63.

[4]李增珍.印刷电路板散热过孔导热率计算方法及优化[J].现代电子技术,2014(12):143-147.

[5]鲜飞.QFN封装元件组装工艺技术研究[J].电子元件与材料,2005(11):52-55.

苏宏锋（1984—），男，江西上饶人，硕士研究生，助理讲师，研究方向：FPGA系统开发。

作者简介：