FPGA核心控制板的PCB散熱設計

四川交通職業技術學院 蘇宏鋒 王 華 李 瑛 祝 良

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FPGA核心控制板的PCB散熱設計

四川交通職業技術學院 蘇宏鋒 王 華 李 瑛 祝 良

【摘要】隨著SMT技術的快速發展，FPGA核心控制板上的元器件不斷微型化，PCB板元件布局、布線越來越密集，加上系統復雜度和時鐘頻率的提升，整個系統的功耗隨之增加。因此，為保證系統運行的穩定性與可靠性，PCB散熱設計尤為重要。本文從分析FPGA核心控制板的PCB存在的散熱問題入手，基于Altium Designer Summer 09的PCB設計平臺，對FPGA核心控制板的供電電源、控制芯片進行散熱處理，以及過孔散熱和敷銅散熱措施，保證PCB板的散熱性能。

【關鍵詞】FPGA核心控制板；散熱；PCB；過孔；敷銅

0 引言

近年來，隨著電子產品的微型化、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計與電路板的板級散熱問題備受電子工程師的關注。FPGA控制系統能否正常工作的關鍵技術之一就是系統的散熱問題。PCB熱設計的目的是采取適當的措施和方法降低元器件的溫度和PCB板的溫度，使系統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用性的要求。本文通過分析FPGA核心控制板實際存在的散熱問題，對FPGA控制板的PCB進行必要的散熱設計，使FPGA控制板工作時具有良好的散熱性能。

1 FPGA控制板與散熱問題

設計一種教學與科研應用的FPGA核心控制板，主要由主控芯片FPGA、+3.3V與+1.2V電源電路、50MHz時鐘電路、復位電路、JTAG與AS下載接口電路、SRAM存儲器以及I/O引出接口等部分組成。主控芯片FPGA采用Altera公司的Cyclone III 系列QFP封裝的EP3C5E144C7。FPGA核心控制板系統結構組成如圖1所示。

圖1 FPGA核心控制板系統架構

FPGA核心控制板PCB的熱量主要來源有：

（1）控制板需要+5V、+3.3V與+1.2V等多種電源供電，電源模塊長時間工作產出大量的熱量，如果不采取有效散熱措施，導致電源模塊發燙無法正常工作。

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

（3）PCB本身基板發熱[3]，銅導體是PCB基本成型材料之一，銅導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熱量來源分析，需要對FPGA核心控制板采取必要的散熱措施，提高系統工作的穩定性與可靠性。

2 FPGA控制板的PCB散熱設計

2.1 電源散熱設計

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直流電源轉換成主控芯片EP3C5E144C7所需+3.3V VCCIO端口電壓與+1.2V VCCINT內核電壓。其中LT1117采用小型SOT-23貼片封裝。

通過上述分析可知，設計電源電路時需要兩片LT1117芯片，滿足FPGA所需的+3.3V與+1.2V電壓的供電要求，PCB設計時對電源模塊的散熱做如下處理：

（1）由于電源模塊長時間工作會產生一定的熱量，相鄰電源模塊布局時保持一定距離，距離太近不利于散熱，布局時將兩個LDO芯片LT1117距離設置20mm或以上。

（2）對放置LDO芯片LT1117位置處進行單獨敷銅處理，有利于電源散熱，如圖2所示。

（3）必要時對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 散熱過孔設計

在PCB發熱量大的元件底部和附近放置一些導熱金屬化過孔。散熱過孔是穿透PCB 的小孔，孔徑為0.4mm～1mm左右[4]。孔徑不宜太大，過孔間距設置為1mm～1.2mm。過孔穿透印制電路板，使印制板正面的熱量延PCB背面快速傳導至其它散熱層，發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。金屬化通孔散熱設計如圖3所示。

圖2 電源模塊底部敷銅處理

圖3 過孔散熱

2.3 FPGA芯片散熱設計

FPGA芯片熱量主要來源動態功耗，如內核電壓功耗與I/O電壓功耗，存儲器、內部邏輯以及系統產生的功耗，FPGA控制它功能模塊（如視頻、音頻模塊等）等都會產生功耗，因此伴隨有熱量產生，有必要對FPGA芯片做散熱處理。設計FPGA芯片的QFP封裝時，在FPGA芯片中心處加了一塊尺寸為4.5mmX4.5mm的銅箔，并設計一定數量的散熱焊盤[5]，根據實際需要還可加散熱片，FPGA芯片散熱處理方法如圖4所示。

圖4 FPGA芯片散熱

2.4 敷銅散熱設計

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軟件設計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板長時間工作會產生較大熱量，導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PCB敷銅設計時采用柵格狀銅箔，設置柵格與電路的接地網絡連通，提高系統的屏蔽效果與散熱性能。FPGA控制板的敷銅散熱設計如圖5所示。

圖5 控制板敷銅散熱

3 結束語

PCB散熱設計是保證PCB板工作穩定性和可靠性的關鍵環節，而散熱方法的選擇是要首要考慮的因素，具體散熱措施的設計與應用是PCB散熱的核心問題。本文在設計FPGA核心控制板的PCB時，以分析FPGA控制系統的熱量來源為出發點，根據實際散熱需求，對FPGA控制板的電源模塊、FPGA控制芯片、散熱過孔與敷銅散熱等進行設計。FPGA控制板所采用的散熱方法具有實用性、低成本與易實現的特點。

參考文獻

[1]高洪巖.電子設備的熱設計探析[J].電子世界,2014(2):86-86.

[2]管美章.印制電路板的熱設計及其實施[J].印制電路板信息,2008(4):27-30.

[3]彭偉,張根等.多層印制電路板熱設計方法研究[J].電子技術,2014(2):60-63.

[4]李增珍.印刷電路板散熱過孔導熱率計算方法及優化[J].現代電子技術,2014(12):143-147.

[5]鮮飛.QFN封裝元件組裝工藝技術研究[J].電子元件與材料,2005(11):52-55.

蘇宏鋒（1984—），男，江西上饒人，碩士研究生，助理講師，研究方向：FPGA系統開發。

作者簡介：