Dalam beberapa tahun kebelakangan ini telah menyaksikan peminaturan, integrasi dan pemodulan produk elektronik, yang membawa kepada peningkatan dari segi ketumpatan pemasangan komponen elektronik dan pengurangan dari segi kawasan pelesapan haba berkesan. Oleh itu, reka bentuk terma bagi komponen elektronik berkuasa tinggi dan masalah pelesapan haba pada peringkat papan menjadi begitu meluas dalam kalangan jurutera elektronik. Bagi sistem FPGA (field programmable gate array), pelesapan haba ialah salah satu teknologi penting yang menentukan sama ada cip mampu berfungsi dengan normal. TujuanReka bentuk terma PCBialah untuk menurunkan suhu komponen dan papan melalui langkah serta kaedah yang sesuai supaya sistem dapat berfungsi pada suhu yang sesuai. Walaupun terdapat banyak langkah untuk melesapkan haba PCB, beberapa keperluan mesti diambil kira seperti kos pelesapan haba dan keberlaksanaan. Artikel ini mengemukakan kaedah reka bentuk terma untuk PCB yang dikawal oleh sistem FPGA berdasarkan analisis masalah pelesapan haba praktikal bagi memastikan keupayaan pelesapan haba papan kawalan sistem FPGA yang cemerlang.
Papan Kawalan Sistem FPGA dan Masalah Pelesapan Haba
Papan kawalan sistem FPGA yang digunakan dalam artikel ini terutamanya terdiri daripada cip kawalan FPGA (EP3C5E144C7 dengan pakej QFP daripada siri Cyclone III oleh Altera®), litar kuasa +3.3V dan +1.2V, litar jam 50MHz, litar set semula, litar antara muka muat turun JTAG dan AS, memori SRAM dan antara muka I/O. Struktur papan kawalan sistem FPGA ditunjukkan dalam Rajah 1 di bawah.
Sumber haba PCB yang dikawal oleh sistem FPGA berpunca daripada:
• Pelbagai jenis bekalan kuasa untuk papan kawalan seperti +5V, +3.3V dan +1.2V serta modul kuasa akan menghasilkan sejumlah besar haba apabila beroperasi untuk jangka masa yang panjang. Modul kuasa biasanya tidak akan berfungsi dengan baik melainkan langkah yang sesuai diambil dengan berkesan.
• Frekuensi jam FPGA pada papan kawalan ialah 50MHz dengan kepadatan tinggi pendawaian PCB. Peningkatan keutuhan sistem membawa kepada penggunaan kuasa sistem yang tinggi dan langkah pelesapan haba yang diperlukan perlu diambil untuk cip FPGA.
• Substrat PCB menjana haba dengan sendirinya. Konduktor kuprum adalah antarabahan asas PCBdan litar konduktor kuprum akan menghasilkan haba dengan pertukaran arus dan penggunaan kuasa.
Berdasarkan analisis dari segi sumber haba daripada sistem litar yang dikawal oleh papan kawalan FPGA, langkah-langkah yang diperlukan untuk menyingkirkan haba perlu diambil terhadap papan kawalan FPGA bagi meningkatkan kestabilan dan kebolehpercayaan keseluruhan sistem.
Reka Bentuk Terma PCB Dikawal oleh Cip FPGA
1. Reka bentuk terma kuasa
Papan kawalan sistem FPGA disambungkan kepada kuasa arus terus (DC) luaran +5V yang memerlukan bekalan arus melebihi 1A. Cip LDO LT1117 (dengan pakej SMD SOT-23 yang kecil) dipilih sebagai modul kuasa yang mampu menukarkan kuasa DC +5V kepada voltan antara muka VCCIO +3.3V dan VCCINT VCORE +1.2V.
Menurut analisis di atas, dua cip LT1117 diperlukan dalam proses reka bentuk litar kuasa bagi memenuhi keperluan voltan +3.3V dan +1.2V oleh FPGA. Langkah-langkah untuk melesapkan haba modul kuasa dalam proses reka bentuk PCB merangkumi aspek-aspek berikut:
• Untuk memastikan pelesapan haba yang pantas bagi modul kuasa yang membekalkan kuasa kepada cip FPGA, sink haba hendaklah ditambah pada cip LDO apabila perlu.
• Oleh kerana modul kuasa menghasilkan haba selepas beroperasi untuk jangka masa yang lama, jarak tertentu mesti dikekalkan antara modul kuasa yang bersebelahan. Jarak antara dua cip LDO LT1117 hendaklah dikekalkan pada 20mm atau lebih.
• Untuk membantu pelesapan haba, penyaduran kuprum hendaklah dilakukan secara berasingan pada bahagian cip LDO LT1117 seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.
2. Reka bentuk terma lubang tembus
Di bahagian bawah komponen dengan penghasilan haba yang besar pada PCB atau berhampirannya hendaklah diletakkan beberapa via logam pengalir. Via pelesapan haba ialah lubang kecil yang menembusi PCB dengan diameter dalam julat 0.4mm hingga 1mm dan jarak antara via dalam julat 1mm hingga 1.2mm. Via yang menembusi PCB membolehkan tenaga di bahagian hadapan dipindahkan dengan cepat ke lapisan pelesapan haba yang lain supaya komponen pada bahagian panas PCB disejukkan serta-merta dan kawasan pelesapan haba dapat ditingkatkan dengan berkesan serta rintangan dikurangkan. Akhirnya, ketumpatan kuasa PCB dapat dipertingkatkan. Reka bentuk terma lubang tembus ditunjukkan dalam Rajah 3 di bawah.
3. Reka bentuk terma cip FPGA
Haba cip FPGA terutamanya berpunca daripada penggunaan tenaga dinamik seperti penggunaan tenaga voltan VCORE dan I/O, penggunaan tenaga yang dihasilkan oleh memori, logik dalaman dan sistem serta penggunaan tenaga yang dihasilkan oleh FPGA ketika mengawal modul lain (contohnya modul video, radio). Semasa mereka bentuk pakej QFP cip FPGA, satu kerajang kuprum ditambah pada bahagian tengah cip FPGA dengan saiz 4.5mm x 4.5mm dan beberapa pad pelesapan haba direka. Heatsink boleh ditambah apabila perlu. Reka bentuk terma cip FPGA ditunjukkan dalam Rajah 4 di bawah.
4. Reka bentuk terma bagi penyaduran kuprum
Penyaduran kuprum pada PCB boleh meningkatkan keupayaan anti-gangguan litar dan menggalakkan pelesapan haba PCB. Reka bentuk PCB berasaskan Altium Designer Summer 09 biasanya mempunyai dua jenis penyaduran kuprum: penyaduran kuprum kawasan besar dan penyaduran kuprum berbentuk grid. Penyaduran kuprum berbentuk jalur kawasan besar mempunyai kelemahan iaitu apabila PCB beroperasi untuk jangka masa yang lama, ia boleh menghasilkan banyak haba, yang akan menyebabkan kerajang kuprum berbentuk jalur mengembang dan tertanggal. Oleh itu, untuk mendapatkan keupayaan pelesapan haba PCB yang sangat baik, penyaduran kuprum hendaklah dilaksanakan dalam bentuk grid dan disambungkan antara grid dan rangkaian tanah litar supaya kesan perisai sistem dan prestasi pelesapan haba akan dipertingkatkan. Reka bentuk terma penyaduran kuprum ditunjukkan dalam Rajah 5 di bawah.
Reka bentuk terma bagipapan litarmemainkan peranan penting dalam menentukan kestabilan kerja dan kebolehpercayaan PCB dan penentuan dari segi kaedah reka bentuk terma adalah pertimbangan yang paling penting. Artikel ini membincangkan beberapa langkah untuk melesapkan haba PCB yang dikawal oleh sistem FPGA dan kaedah yang sesuai harus dipilih dengan mengambil kira kos dan keberpraktisan.
Sumber yang Berguna
•Prinsip Reka Bentuk Terma Papan PCB yang Paling Komprehensif
•Pertimbangan Reka Bentuk Terma PCB
•Reka Bentuk PCB Berkuasa Tinggi dalam Persekitaran Suhu Tinggi
•PCB Teras Teras Logam: Penyelesaian Ideal untuk Isu Terma dalam PCB dan PCBA
•Perkhidmatan Pembuatan PCB Ciri Penuh daripada PCBCart - Pelbagai Pilihan Nilai Tambah
•Perkhidmatan Pemasangan PCB Termaju dari PCBCart - Bermula dari 1 keping
