Mengoptimalkan Manajemen Termal PCB untuk Sistem FPGA

Tahun-tahun terakhir telah menjadi saksi terhadap miniaturisasi, integritas dan modularisasi produk elektronik, yang mengarah pada peningkatan dalam hal densitas assembly komponen elektronik dan penurunan dalam hal area dissipasi panas efektif. Oleh karena itu, desain termal komponen elektronik daya tinggi dan masalah dissipasi panas pada tingkat papan menjadi sangat prevalen di kalangan insinyur elektronik. Untuk sistem FPGA (field programmable gate array), dissipasi panas adalah salah satu teknologi kunci yang menentukan apakah chip mampu bekerja secara normal. Tujuan desain termal PCB adalah untuk menurunkan suhu komponen dan papan melalui langkah dan metode yang sesuai agar sistem dapat bekerja di suhu yang sesuai. Meskipun banyak langkah untuk membuang panas PCB, beberapa persyaratan harus dipertimbangkan seperti biaya dissipasi panas dan kepraktisan. Artikel ini mengajukan metode desain termal untuk PCB yang dikontrol oleh sistem FPGA berdasarkan analisis masalah dissipasi panas praktis untuk memastikan kemampuan dissipasi panas yang baik dari papan kontrol sistem FPGA.

Papan Kontrol Sistem FPGA dan Masalah Dissipasi Panas

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

Sumber panas dari PCB yang dikontrol oleh sistem FPGA berasal dari:
• Banyak jenis daya listrik untuk papan kontrol seperti +5V, +3.3V dan +1.2V dan modul daya akan menghasilkan sejumlah besar panas saat bekerja dalam waktu yang lama. Modul daya tidak akan bekerja secara normal kecuali langkah yang tepat secara efektif diambil.
• Frekuensi jam FPGA pada papan kontrol adalah 50MHz dengan densitas routing PCB yang tinggi. Peningkatan integritas sistem mengarah pada konsumsi daya sistem yang tinggi dan langkah dissipasi panas yang diperlukan untuk chip FPGA.
• Substrat PCB menghasilkan panas sendiri. Konduktor logam adalah salah satu bahan dasar PCB dan sirkuit konduktor logam akan menghasilkan panas dengan pertukaran arus dan konsumsi daya.

Berdasarkan analisis dari sumber panas dari sistem sirkuit yang dikontrol oleh papan kontrol FPGA, langkah dissipasi panas yang diperlukan perlu diambil untuk papan kontrol FPGA guna meningkatkan stabilitas dan keandalan seluruh sistem.

Desain Termal PCB yang Dikontrol oleh Chip FPGA

1. Desain termal daya

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

Menurut analisis di atas, dua chip LT1117 diperlukan dalam proses desain sirkuit daya untuk memenuhi persyaratan tegangan +3.3V dan +1.2V oleh FPGA. Langkah dissipasi panas modul daya dalam proses desain PCB mencakup aspek-aspek berikut:
• Untuk memastikan dissipasi panas yang cepat dari modul daya yang menyediakan daya untuk chip FPGA, heat sink harus ditambahkan pada chip LDO jika diperlukan.
• Karena modul daya menghasilkan panas setelah bekerja dalam waktu lama, jarak tertentu harus dipertahankan antara modul daya yang berdekatan. Jarak antara dua chip LDO LT1117 harus dipertahankan 20mm atau lebih.
• Untuk membantu dissipasi panas, plating logam harus dilakukan secara terpisah pada tempat chip LDO LT1117 seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.

2. Desain termal lubang melalui

Di bawah komponen dengan produksi panas besar pada PCB atau di dekatnya harus ditempatkan beberapa via konduktor logam. Via dissipasi panas adalah lubang kecil yang menembus PCB dengan diameter dalam rentang 0.4mm hingga 1mm dan jarak antara via dalam rentang 1mm hingga 1.2mm. Via yang menembus PCB membuat energi di depan dengan cepat dilewatkan ke lapisan dissipasi panas lain sehingga komponen di sisi panas PCB segera dingin dan area dissipasi panas secara efektif ditingkatkan dan resistensi berkurang. Akhirnya, densitas daya PCB dapat ditingkatkan. Desain termal lubang melalui ditampilkan dalam Gambar 3 di bawah ini.

3. Desain termal chip FPGA

Panas chip FPGA terutama berasal dari konsumsi energi dinamis seperti konsumsi energi VCORE dan tegangan I/O, konsumsi energi yang dihasilkan oleh memori, logika internal dan sistem dan konsumsi energi yang dihasilkan oleh FPGA saat mengontrol modul lain (misalnya modul video, radio). Saat mendesain kemasan QFP chip FPGA, foil logam ditambahkan di tengah chip FPGA dengan ukuran 4.5mmx4.5mm dan beberapa pad dissipasi panas dirancang. Heat sink dapat ditambahkan jika diperlukan. Desain termal chip FPGA ditampilkan dalam Gambar 4 di bawah ini.

4. Desain termal plating logam

Plating logam pada PCB dapat baik meningkatkan kemampuan anti-interferensi sirkuit dan mempromosikan dissipasi panas PCB. Desain PCB berdasarkan Altium Designer Summer 09 biasanya memiliki dua jenis plating logam: plating logam area besar dan plating logam grid. Plating logam strip bentuk area besar memiliki defek bahwa bekerja lama PCB dapat menyebabkan banyak pembangkitan panas, yang akan menyebabkan foil logam bentuk strip melebar dan lepas. Oleh karena itu, untuk mendapatkan kemampuan dissipasi panas yang baik dari PCB, plating logam harus diimplementasikan dengan bentuk grid dan koneksi antara grid dan jaringan ground sirkuit sehingga efek shielding sistem dan kinerja dissipasi panas akan ditingkatkan. Desain termal plating logam ditampilkan dalam Gambar 5 di bawah ini.

Desain termal papan sirkuit memainkan peran kunci dalam menentukan stabilitas dan keandalan kerja PCB dan penetapan metode desain termal adalah pertimbangan yang paling penting. Artikel ini membahas beberapa langkah untuk membuang panas dari PCB yang dikontrol oleh sistem FPGA dan metode yang sesuai harus dipilih dengan pertimbangan biaya dan kepraktisan.

Sumber yang Membantu
• Prinsip Terlengkap Desain Termal untuk PCB
• Pertimbangan Desain Termal PCB
• Desain PCB Daya Tinggi dalam Lingkungan Suhu Tinggi
• PCB Metal Core Solusi Ideal untuk Masalah Termal dalam PCB dan PCBA
• Layanan Manufaktur PCB Lengkap dari PCBCart - Opsi Nilai Tambah Berbagai
• Layanan Assembly PCB Canggih dari PCBCart - Mulai dari 1 potong