Tips Desain Termal untuk PCB yang Dikendalikan oleh Sistem FPGA

Beberapa tahun terakhir telah menyaksikan miniaturisasi, integritas dan modularisasi produk elektronik, yang mengarah pada peningkatan dalam hal kepadatan perakitan komponen elektronik dan penurunan dalam hal area disipasi termal yang efektif. Oleh karena itu, desain termal komponen elektronik berdaya tinggi dan masalah disipasi termal di tingkat papan menjadi begitu umum di kalangan insinyur elektronik. Untuk sistem FPGA (field programmable gate array), disipasi termal adalah salah satu teknologi penting yang menentukan apakah chip mampu bekerja secara normal. Tujuan dari desain termal PCB adalah untuk menurunkan suhu komponen dan papan melalui langkah-langkah dan metode yang sesuai untuk membuat sistem bekerja di bawah suhu yang sesuai. Terlepas dari banyak tindakan untuk menghilangkan panas PCB, beberapa persyaratan harus diperhitungkan seperti biaya disipasi termal dan kepraktisan. Artikel ini hadir dengan metode desain termal untuk PCB yang dikendalikan oleh sistem FPGA berdasarkan analisis masalah disipasi termal praktis untuk memastikan kemampuan disipasi termal yang sangat baik dari papan kontrol sistem FPGA.

Papan Kontrol Sistem FPGA dan Masalah Pembuangan Panas

Papan kontrol sistem FPGA yang digunakan dalam artikel ini terutama terdiri dari chip kontrol FPGA (EP3C5E144C7 dengan paket QFP seri Cyclone III oleh Altera ^® ), sirkuit daya +3.3V dan +1.2V, sirkuit clock 50MHz, sirkuit reset, sirkuit antarmuka unduhan JTAG dan AS, memori SRAM dan antarmuka I/O. Struktur papan kontrol sistem FPGA ditampilkan pada Gambar 1 di bawah ini.

Sumber panas PCB yang dikendalikan oleh sistem FPGA berasal dari:
• Berbagai jenis catu daya untuk papan kontrol seperti +5V, +3.3V dan +1.2V dan modul daya akan menghasilkan panas dalam jumlah besar saat bekerja untuk waktu yang lama. Modul daya biasanya tidak akan bekerja kecuali tindakan yang sesuai diambil secara efektif.
• Frekuensi clock FPGA pada papan kontrol adalah 50MHz dengan kepadatan tinggi perutean PCB. Peningkatan integritas sistem menyebabkan konsumsi daya sistem yang tinggi dan langkah-langkah disipasi termal yang diperlukan harus dilakukan pada chip FPGA.
• Substrat PCB menghasilkan panas dengan sendirinya. Konduktor tembaga adalah salah satu bahan dasar PCB dan rangkaian konduktor tembaga akan menghasilkan panas dengan pertukaran arus dan konsumsi daya.

Berdasarkan analisis dalam hal sumber panas dari sistem sirkuit yang dikendalikan oleh papan kontrol FPGA, langkah-langkah yang diperlukan untuk menghilangkan panas perlu dilakukan pada papan kontrol FPGA untuk meningkatkan stabilitas dan keandalan seluruh sistem.

Desain Termal PCB Dikendalikan oleh Chip FPGA

1. Desain daya termal

Papan kontrol sistem FPGA terhubung ke +5V daya arus searah eksternal (DC) yang diperlukan untuk memasok arus lebih dari 1A. Chip LDO LT1117 (dengan paket SOT-23 SMD kecil) diambil sebagai modul daya yang mampu mengubah daya +5V DC menjadi tegangan antarmuka +3.3V VCCIO dan +1.2V VCCINT VCORE.

Berdasarkan analisis di atas, diperlukan dua buah chip LT1117 dalam proses perancangan rangkaian daya agar dapat memenuhi kebutuhan tegangan +3.3V dan +1.2V oleh FPGA. Langkah-langkah untuk menghilangkan panas modul daya dalam proses desain PCB mencakup aspek berikut:
• Untuk memastikan disipasi termal yang cepat dari modul daya yang memasok daya ke chip FPGA, heat sink harus ditambahkan ke chip LDO bila perlu.
• Karena modul daya menghasilkan panas setelah lama bekerja, jarak tertentu harus dijaga antara modul daya yang berdekatan. Jarak antara dua chip LDO LT1117 harus dijaga 20mm atau lebih.
• Untuk menghasilkan disipasi termal, pelapisan tembaga harus dilakukan secara independen di tempat chip LDO LT1117 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

2. Desain termal lubang tembus

Di bagian bawah komponen dengan sejumlah besar produksi panas pada PCB atau di dekatnya harus ditempatkan beberapa vias logam konduktif. Disipasi termal vias adalah lubang kecil menembus PCB dengan diameter dalam kisaran dari 0.4mm sampai 1mm dan dengan jarak antara vias dalam kisaran dari 1mm sampai 1.2mm. Melalui PCB yang menembus membuat energi di bagian depan dengan cepat diteruskan ke lapisan disipasi termal lainnya sehingga komponen di sisi panas PCB langsung didinginkan dan area disipasi termal meningkat secara efektif dan resistansi berkurang. Akhirnya, kepadatan daya PCB dapat ditingkatkan. Desain termal lubang tembus ditampilkan pada Gambar 3 di bawah ini.

3. Desain termal chip FPGA

Panas chip FPGA terutama berasal dari konsumsi energi dinamis seperti konsumsi energi tegangan VCORE dan I/O, konsumsi energi yang dihasilkan oleh memori, logika dan sistem internal dan konsumsi energi yang dihasilkan oleh FPGA sambil mengendalikan modul lain (video, modul radio misalnya) . Saat merancang paket QFP chip FPGA, foil tembaga ditambahkan ke bagian tengah chip FPGA dengan ukuran 4,5mmx4.5mm dan beberapa bantalan disipasi termal dirancang. Heat sink dapat ditambahkan bila perlu. Desain termal chip FPGA ditampilkan pada Gambar 4 di bawah ini.

4. Desain termal pelapisan tembaga

Pelapisan tembaga pada PCB dapat meningkatkan kemampuan anti-interferensi sirkuit dan meningkatkan disipasi termal PCB. Desain PCB berdasarkan Altium Designer Summer 09 biasanya memiliki dua jenis pelapisan tembaga:tembaga plating area luas dan tembaga plating berbentuk kotak. Tembaga plating berbentuk strip area yang luas memiliki cacat bahwa kerja PCB yang lama dapat menyebabkan banyak panas, yang akan membuat foil tembaga berbentuk strip mengembang dan jatuh. Oleh karena itu, untuk mendapatkan kemampuan disipasi panas yang sangat baik dari PCB, pelapisan tembaga harus diterapkan dengan bentuk grid dan koneksi antara grid dan jaringan ground dari rangkaian sehingga efek pelindung sistem dan kinerja disipasi termal akan meningkat. Desain termal tembaga pelapisan ditampilkan pada Gambar 5 di bawah ini.

Desain termal papan sirkuit memainkan peran penting dalam menentukan stabilitas kerja dan keandalan PCB dan penentuan dalam hal metode desain termal adalah pertimbangan yang paling penting. Artikel ini membahas beberapa langkah untuk menghilangkan panas dari PCB yang dikendalikan oleh sistem FPGA dan metode yang sesuai harus diambil dengan pertimbangan biaya dan kepraktisan.

Sumber Daya Bermanfaat
• Prinsip-Prinsip Terlengkap Desain Termal untuk PCB
• Pertimbangan Desain Termal PCB
• Desain PCB Daya Tinggi di Lingkungan Bersuhu Tinggi
• PCB Inti Logam yang Ideal Solusi untuk Masalah Termal pada PCB dan PCBA
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah