Optimiser la gestion thermique PCB pour systèmes FPGA

Ces dernières années, la miniaturisation, l'intégration et la modularisation des produits électroniques ont entraîné une escalade de la densité d'assemblage des composants et une diminution de la surface effective de dissipation thermique. La conception thermique des composants électroniques de forte puissance et les problèmes de dissipation au niveau carte deviennent donc prévalents chez les ingénieurs. Pour un système FPGA (Field Programmable Gate Array), la dissipation thermique est l'une des technologies pivots déterminant si la puce peut fonctionner normalement. Le but de la conception thermique PCB est de réduire la température des composants et de la carte par des mesures et méthodes adaptées pour faire fonctionner le système à température adéquate. Malgré de nombreuses mesures de dissipation, certains impératifs doivent être considérés : coût et praticabilité. Cet article propose des méthodes de conception thermique pour PCB contrôlés par système FPGA, basées sur l'analyse des problèmes pratiques de dissipation, pour assurer une excellente capacité de dissipation de la carte de contrôle FPGA.

Carte de contrôle système FPGA et problème de dissipation thermique

La carte de contrôle système FPGA utilisée ici consiste principalement en : puce de contrôle FPGA (EP3C5E144C7, boîtier QFP série Cyclone III d'Altera®), circuits d'alimentation +3,3 V et +1,2 V, circuit d'horloge 50 MHz, circuit de reset, interfaces de téléchargement JTAG et AS, mémoire SRAM et interfaces I/O. La structure est affichée Figure 1.

Sources de chaleur du PCB contrôlé par système FPGA :

• Nombreux types d'alimentations (+5 V, +3,3 V, +1,2 V) ; modules de puissance génèrent beaucoup de chaleur en fonctionnement prolongé. Ils ne fonctionneront normalement que si des mesures efficaces sont prises.
• Fréquence d'horloge du FPGA : 50 MHz, haute densité de routage. L'augmentation de l'intégrité système entraîne forte consommation de puissance ; mesures de dissipation nécessaires pour la puce FPGA.
• Le substrat PCB génère sa propre chaleur. Le conducteur en cuivre est un matériau de base ; les circuits cuivre génèrent de la chaleur par échange de courant et consommation de puissance.

Basé sur cette analyse, des mesures de dissipation doivent être prises sur la carte de contrôle FPGA pour augmenter stabilité et fiabilité du système global.

Conception thermique du PCB contrôlé par puce FPGA

1. Conception thermique de l'alimentation

La carte de contrôle FPGA est connectée à une alimentation DC externe +5 V devant fournir >1 A. Le CI LDO LT1117 (boîtier SMD SOT-23 petit) est choisi comme module d'alimentation pour transformer +5 V DC en +3,3 V VCCIO et +1,2 V VCCINT VCORE.

Deux CI LT1117 sont nécessaires pour répondre aux exigences +3,3 V et +1,2 V du FPGA. Mesures de dissipation pour les modules d'alimentation :

• Ajouter un radiateur sur le CI LDO si nécessaire pour dissipation rapide.
• Maintenir une distance ≥ 20 mm entre modules d'alimentation adjacents (ex. entre deux LT1117).
• Pour favoriser la dissipation, réaliser un placage cuivre indépendant sur l'emplacement du LT1117 (Figure 2).

2. Conception thermique des traversées

Au bas des composants à forte production de chaleur ou à proximité, placer des vias conducteurs métalliques. Vias de dissipation : petits trous traversants (diamètre 0,4–1 mm, distance 1–1,2 mm). Ils font passer rapidement l'énergie de la face avant vers d'autres couches de dissipation, refroidissant instantanément les composants du côté chaud, augmentant efficacement la surface de dissipation et diminuant la résistance. Finalement, la densité de puissance du PCB s'améliore. Conception thermique des traversées Figure 3.

3. Conception thermique de la puce FPGA

La chaleur du FPGA provient principalement de : consommation dynamique (VCORE, I/O), consommation mémoire, logique interne, système, et contrôle d'autres modules (vidéo, radio). Pour le boîtier QFP du FPGA, ajouter un feuillard cuivre au centre (4,5 × 4,5 mm) avec plusieurs pads de dissipation. Radiateur possible si nécessaire. Conception thermique FPGA Figure 4.

4. Conception thermique du placage cuivre

Le placage cuivre augmente la capacité anti-interférence et favorise la dissipation. PCB sous Altium Designer Summer 09 : deux types – placage grande surface et placage grille. Le placage bande grande surface a un défaut : fonctionnement prolongé → forte chaleur → dilatation et décollement du cuivre. Pour une excellente dissipation, utiliser placage en grille et connexion au réseau de masse du circuit pour améliorer effet blindage et performance thermique. Figure 5.

La conception thermique des circuits joue un rôle pivot dans la stabilité et fiabilité des PCB ; le choix des méthodes est la considération la plus importante. Cet article discute des mesures de dissipation pour PCB contrôlé par système FPGA ; la méthode adaptée doit être choisie en considérant coût et praticabilité.

Ressources utiles

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