Otimizando o Gerenciamento Térmico de PCB para Sistemas FPGA

Nos últimos anos, a miniaturização, integração e modularização de produtos eletrônicos levaram ao aumento da densidade de montagem de componentes e à diminuição da área efetiva de dissipação térmica. Consequentemente, o projeto térmico de componentes eletrônicos de alta potência e os problemas de dissipação de calor no nível da placa tornaram-se prevalentes entre engenheiros eletrônicos. Para sistemas FPGA (Field Programmable Gate Array), a dissipação térmica é uma das tecnologias cruciais que determinam se o chip é capaz de operar normalmente. O objetivo do projeto térmico de PCI é reduzir a temperatura dos componentes e da placa através de medidas e métodos adequados, para que o sistema opere dentro de uma faixa de temperatura adequada. Apesar das numerosas medidas para dissipar calor de PCIs, alguns requisitos devem ser considerados, como custo de dissipação térmica e praticabilidade. Este artigo apresenta métodos de projeto térmico para PCIs controladas por sistema FPGA, baseados na análise de problemas práticos de dissipação térmica, para garantir excelente capacidade de dissipação de calor da placa de controle do sistema FPGA.

Placa de Controle do Sistema FPGA e Problema de Dissipação Térmica

A placa de controle do sistema FPGA usada neste artigo consiste principalmente no chip de controle FPGA (EP3C5E144C7 com encapsulamento QFP da série Cyclone III da Altera®), circuitos de alimentação de +3,3V e +1,2V, circuito de clock de 50MHz, circuito de reset, interfaces de download JTAG e AS, memória SRAM e interface I/O. A estrutura da placa de controle do sistema FPGA é exibida na Figura 1 abaixo.

As fontes de calor da PCI controlada por sistema FPGA derivam de:

• Diversos tipos de fontes de alimentação para a placa de controle, como +5V, +3,3V e +1,2V, e módulos de potência que geram grande quantidade de calor durante operação prolongada. Módulos de potência não operarão normalmente a menos que medidas eficazes sejam tomadas.
• A frequência de clock do FPGA na placa de controle é 50MHz com alta densidade de roteamento na PCI. O aumento da integração do sistema leva a alto consumo de energia do sistema e medidas necessárias de dissipação térmica devem ser aplicadas ao chip FPGA.
• O substrato da PCI gera calor por si só. O condutor de cobre está entre os materiais básicos das PCIs e o circuito de condutor de cobre gerará calor com a troca de corrente e consumo de energia.

Com base na análise das fontes de calor do sistema de circuito controlado pela placa de controle FPGA, medidas necessárias para dissipar calor precisam ser tomadas na placa de controle FPGA, a fim de aumentar a estabilidade e confiabilidade de todo o sistema.

Projeto Térmico de PCI Controlada por Chip FPGA

1. Projeto Térmico de Alimentação

A placa de controle do sistema FPGA é conectada a uma alimentação DC (corrente contínua) externa de +5V que deve fornecer corrente superior a 1A. O chip LDO LT1117 (com encapsulamento SMD SOT-23 pequeno) é selecionado como módulo de potência capaz de transformar a alimentação DC de +5V em tensão de interface VCCIO de +3,3V e VCCINT VCORE de +1,2V.

De acordo com a análise acima, dois chips LT1117 são necessários no processo de projeto do circuito de alimentação para atender aos requisitos de tensão de +3,3V e +1,2V do FPGA. Medidas para dissipar calor dos módulos de potência no processo de projeto de PCI incluem:

• Para garantir rápida dissipação térmica do módulo de potência que alimenta o chip FPGA, um dissipador de calor deve ser adicionado ao chip LDO quando necessário.
• Como o módulo de potência gera calor após operação prolongada, certa distância deve ser mantida entre módulos de potência adjacentes. A distância entre dois chips LDO LT1117 deve ser mantida em 20mm ou mais.
• Para favorecer a dissipação térmica, revestimento de cobre deve ser realizado independentemente no local do chip LDO LT1117, conforme mostrado na Figura 2.

2. Projeto Térmico de Furos Passantes (Vias)

Na parte inferior de componentes com grande produção de calor nas PCIs ou próximo a eles, devem ser colocadas algumas vias condutoras metálicas. Vias de dissipação térmica são pequenos furos que atravessam a PCI com diâmetro na faixa de 0,4mm a 1mm e distância entre vias na faixa de 1mm a 1,2mm. Vias que atravessam a PCI fazem a energia na face frontal passar rapidamente para outras camadas de dissipação térmica, de modo que componentes no lado quente da PCI são resfriados instantaneamente e a área de dissipação térmica é aumentada efetivamente e a resistência é diminuída. Finalmente, a densidade de potência da PCI pode ser melhorada. O projeto térmico de furos passantes é exibido na Figura 3 abaixo.

3. Projeto Térmico do Chip FPGA

O calor do chip FPGA vem principalmente do consumo de energia dinâmico, como consumo de energia de VCORE e tensão I/O, consumo de energia produzido por memória, lógica interna e sistema, e consumo de energia produzido pelo FPGA ao controlar outros módulos (vídeo, módulos de rádio, por exemplo). Ao projetar o encapsulamento QFP do chip FPGA, uma folha de cobre é adicionada ao centro do chip FPGA com tamanho de 4,5mm x 4,5mm e vários pads de dissipação térmica são projetados. Dissipador de calor pode ser adicionado quando necessário. O projeto térmico do chip FPGA é exibido na Figura 4 abaixo.

4. Projeto Térmico de Revestimento de Cobre

O revestimento de cobre na PCI pode tanto aumentar a capacidade anti-interferência dos circuitos quanto promover a dissipação térmica das PCIs. O projeto de PCI baseado no Altium Designer Summer 09 geralmente apresenta dois tipos de revestimento de cobre: revestimento de cobre de grande área e revestimento de cobre em formato de grade. O revestimento de cobre em formato de tira de grande área apresenta um defeito: operação prolongada da PCI pode levar a grande geração de calor, o que fará com que a folha de cobre em formato de tira se expanda e caia. Portanto, para obter excelente capacidade de dissipação de calor da PCI, o revestimento de cobre deve ser implementado com formato de grade e a conexão entre a grade e a rede de terra do circuito, para que o efeito de blindagem do sistema e o desempenho de dissipação térmica sejam melhorados. O projeto térmico de revestimento de cobre é exibido na Figura 5 abaixo.

O projeto térmico de placas de circuito desempenha um papel crucial na determinação da estabilidade e confiabilidade operacional das PCIs, e a determinação dos métodos de projeto térmico é a consideração mais importante. Este artigo discute algumas medidas para dissipar calor de PCI controlada por sistema FPGA e o método adequado deve ser escolhido considerando custo e praticabilidade.

Recursos Úteis

• Os Princípios Mais Abrangentes de Projeto Térmico para PCIs
• Considerações de Projeto Térmico de PCI
• Projeto de PCI de Alta Potência em Ambiente de Alta Temperatura
• PCI de Núcleo Metálico: Solução Ideal para Problemas Térmicos em PCI e PCBA
• Serviço Completo de Fabricação de PCI da PCBCart - Múltiplas Opções de Valor Agregado
• Serviço Avançado de Montagem de PCI da PCBCart - A Partir de 1 Peça