FPGA的60W~72W高密度電源的電氣性能、熱性能及布局設(shè)計之深入分析

　　熱性能

　　在縮小 FPGA 型系統(tǒng)尺寸的同時提升其功能、存儲容量和計算能力的發(fā)展潮流促使設(shè)計人員不斷改進(jìn)用于冷卻組件的方法。一種簡單的方法是在組件的上方提供有效的氣流。較高的組件會妨礙氣流掠過諸如 FPGA 或存儲器 IC 等采用較扁薄封裝的器件。在采用預(yù)制型 DC/DC 負(fù)載點穩(wěn)壓器時，這種阻塞氣流的情況將很嚴(yán)重，因為這些器件的高度達(dá)到了 FPGA 及其他 IC 高度的 6~10 倍。

　　在把內(nèi)部產(chǎn)生的熱量從封裝的頂部高效地散逸出去的過程中，F(xiàn)PGA 的薄型球柵陣列 (BGA) 封裝極為有益。當(dāng)諸如預(yù)制型 DC/DC 穩(wěn)壓器等較高的器件阻止了氣流并在其旁邊的器件上投下一個“陰影”時，這種好處就被削弱了。

　　圖 7 是圖 1 所示電路板的熱像，并提供了特定位置的溫度讀數(shù)。光標(biāo) 1~4 示出了每個模塊上的表面溫度估計值。光標(biāo) 5~7 指示 PCB 的表面溫度。請留意內(nèi)側(cè)的兩個穩(wěn)壓器 (光標(biāo) 1 和 2) 與外側(cè)的兩個穩(wěn)壓器 (光標(biāo) 3 和 4) 之間的溫度差異。置于外側(cè)的 LTM4601 µModule 穩(wěn)壓器在其左側(cè)和右側(cè)設(shè)有很大的平面，從而增強了散熱效果，可把器件冷卻幾度 (℃。內(nèi)側(cè)的兩個 µModule 穩(wěn)壓器則只具有很小的頂部和底部平面用于散逸熱量，因此溫度比外側(cè)的兩個 µModule 穩(wěn)壓器略高。

　　另外，氣流還對系統(tǒng)的熱平衡有著實質(zhì)性的影響。請注意圖 2 和圖 3 之間的溫度差異。在圖 7 中，一個 200LFM 的氣流均勻地從演示電路板的底部傳播至頂部，因而與圖 7 中給出的無氣流場合相比在電路板上實現(xiàn)了 20℃ 的降溫幅度。

　　氣流的方向也很重要。在圖 4 中，氣流從右至左傳播，將熱量從一個 µModule 穩(wěn)壓器驅(qū)趕至下一個 µModule 穩(wěn)壓器，從而產(chǎn)生堆積效應(yīng)。位于右邊的最靠近氣流源的 µModule 器件溫度最低。最左邊的 µModule 穩(wěn)壓器則由于遭受來自其他 LTM4601 µModule 穩(wěn)壓器的溢出熱量而呈現(xiàn)稍高的溫度。

　　至 PCB 的熱傳導(dǎo)也會隨著氣流的變化而改變。在圖 7 中，熱量均勻地傳遞至 PCB 的左側(cè)和右側(cè)。在圖 9 中，大部分熱量移動至左側(cè)。圖 10 示出了一種極端的情形 —— 熱量從一個 µModule 器件堆積至下一個 µModule 器件。4 個 µModule 穩(wěn)壓器均各安裝了一個 BGA 散熱器，而且整個電路板在一個環(huán)境溫度為 75°C 的容器中運作。