Celovit pregled toplotne zasnove FPGA
Da kateri koli čip deluje, mora ustrezati temperaturnemu območju. Ta temperatura se nanaša na temperaturo na silicijevem čipu, ki se običajno imenuje temperatura spoja.
ALTERA FPGA je razdeljen na dve vrsti: komercialni (commercial) in industrijski (induatrial). Temperaturno območje spoja čipov komercialne kakovosti, ki lahko normalno delujejo, je 0~85 stopinj Celzija, medtem ko je območje čipov industrijske kakovosti -40~100 stopinj Celzija. V dejanskem vezju moramo zagotoviti, da je temperatura spoja čipa v sprejemljivem območju.
Ker se poraba električne energije čipa povečuje, se med delom proizvaja vedno več toplote. Če želite ohraniti temperaturo spoja čipa v normalnem območju, morate uporabiti določene metode za hitro odvajanje toplote, ki jo proizvaja čip, v okolje.
Vsakdo, ki je študiral fiziko v srednji šoli, ve, da obstajajo tri glavne metode prenosa toplote, in sicer prevodnost, konvekcija in sevanje, in te metode uporabljajo tudi čipi za odvajanje toplote navzven.
Spodnja slika prikazuje poenostavljen model odvajanja toplote čipa. Toplota, ki jo ustvari čip na sliki, se večinoma prenaša na zunanjo embalažo čipa. Če ni priključenega hladilnega telesa, se bo neposredno razpršil iz ohišja paketa čipov v okolje; če je dodan toplotni odvod, se bo toplota prenašala iz zunanje embalaže čipa skozi lepilo za odvod toplote. v hladilno telo in nato v okolje skozi hladilno telo. Na splošno je površina hladilnega telesa precej velika, kontaktna površina z zrakom pa je velika, kar je ugodno za prenos toplote. V običajni praksi je bilo ugotovljeno, da je večina toplotnih ponorov črnih, ker črni predmeti zlahka oddajajo toploto navzven, kar je tudi ugodno za odvajanje toplote navzven. In večja kot je hitrost vetra na površini hladilnega telesa, boljše je odvajanje toplote.
Poenostavljen model toplotnega toka čipa
Poleg tega se majhna količina toplote prevaja na spajkalne kroglice čipa skozi substrat čipa, nato pa odvaja toploto v okolje skozi PCB. Ker je delež tega dela toplote sorazmerno majhen, se ta del ne upošteva pri razpravi o toplotni upornosti paketa čipov in hladilnega telesa spodaj.
Najprej moramo razumeti koncept "toplotne odpornosti". Toplotna odpornost opisuje sposobnost predmeta, da prevaja toploto. Manjši kot je toplotni upor, boljša je toplotna prevodnost in obratno. To je nekoliko podobno konceptu odpornosti.
Iz toplotne odpornosti silicijevega čipa čipa na okolje, ob predpostavki, da se vsa toplota končno odvede v okolje s toplotnim odvodom, lahko dobimo preprost model toplotne upornosti, kot je prikazano na spodnji sliki:
Model za hlajenje čipov s toplotnim odvodom
Celotna toplotna upornost od matrice do okolja se imenuje JA, kar ustreza:
JA=JC plus CS plus SA
JC se nanaša na toplotni upor od čipa do zunanjega ohišja, ki ga običajno zagotovi dobavitelj čipa; CS se nanaša na toplotni upor od zunanjega ohišja čipa do hladilnega telesa. Če je hladilno telo pritrjeno na površino čipa s toplotno prevodnim lepilom, ta toplotni upor vodi toplotno lepilo. Toplotno odpornost na splošno zagotovi dobavitelj toplotno prevodnega lepila; SA se nanaša na toplotno odpornost hladilnega telesa na okolje, ki jo na splošno navede proizvajalec hladilnega telesa. Ta toplotna upornost se zmanjšuje s povečanjem hitrosti vetra in proizvajalec običajno navede vrednosti toplotne upornosti pri različnih hitrostih vetra.
Paket samega čipa deluje kot odvod toplote. Če čip nima hladilnega telesa, je JA toplotna odpornost silicijevega čipa na okolje po pakiranju. Ta vrednost je očitno večja od vrednosti JA pri hladilnem telesu. Ta vrednost je odvisna od značilnosti paketa samega čipa in jo običajno zagotovi proizvajalec čipa.
Spodnja slika prikazuje toplotno odpornost paketa za napravo ALTERA STRATIX IV. Poda vrednost JA čipa pri različnih hitrostih vetra in te vrednosti se lahko uporabijo za izračun situacije brez hladilnega telesa. Poleg tega se JC uporablja za izračun skupne vrednosti JA s hladilnikom.
Toplotna odpornost paketov naprav Stratix iv
Ob predpostavki, da je moč, ki jo porabi silicijev čip P, potem:
TJ (temperatura spoja)=TA plus P*JA
Zagotoviti je treba, da TJ ne more preseči najvišje temperature spoja, ki jo dovoljuje čip, in nato izračunati največjo dovoljeno zahtevo za JA glede na temperaturo okolja in dejansko moč, ki jo porabi čip.
JMax=(TJMax - TA)/P TA(temperatura okolja)
Če je JA paketa samega čipa večji od te vrednosti, je treba razmisliti o dodajanju ustrezne naprave za odvajanje toplote čipu, da se zmanjša efektivna vrednost JA iz čipa v okolje in prepreči pregrevanje čipa.
V dejanskem sistemu bo del toplote odveden tudi iz tiskanega vezja. Če ima tiskano vezje veliko plasti in veliko površino, je tudi zelo ugodno za odvajanje toplote.
