FPGA的60W~72W高密度電源的電氣性能、熱性能及布局設計之深入分析

　　熱性能

　　在縮小 FPGA 型系統尺寸的同時提升其功能、存儲容量和計算能力的發展潮流促使設計人員不斷改進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。在采用預制型 DC/DC 負載點穩壓器時，這種阻塞氣流的情況將很嚴重，因為這些器件的高度達到了 FPGA 及其他 IC 高度的 6~10 倍。

　　在把內部產生的熱量從封裝的頂部高效地散逸出去的過程中，FPGA 的薄型球柵陣列 (BGA) 封裝極為有益。當諸如預制型 DC/DC 穩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。光標 1~4 示出了每個模塊上的表面溫度估計值。光標 5~7 指示 PCB 的表面溫度。請留意內側的兩個穩壓器 (光標 1 和 2) 與外側的兩個穩壓器 (光標 3 和 4) 之間的溫度差異。置于外側的 LTM4601 µModule 穩壓器在其左側和右側設有很大的平面，從而增強了散熱效果，可把器件冷卻幾度 (℃。內側的兩個 µModule 穩壓器則只具有很小的頂部和底部平面用于散逸熱量，因此溫度比外側的兩個 µModule 穩壓器略高。

　　另外，氣流還對系統的熱平衡有著實質性的影響。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 穩壓器驅趕至下一個 µModule 穩壓器，從而產生堆積效應。位于右邊的最靠近氣流源的 µModule 器件溫度最低。最左邊的 µModule 穩壓器則由于遭受來自其他 LTM4601 µModule 穩壓器的溢出熱量而呈現稍高的溫度。

　　至 PCB 的熱傳導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 的左側和右側。在圖 9 中，大部分熱量移動至左側。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 穩壓器均各安裝了一個 BGA 散熱器，而且整個電路板在一個環境溫度為 75°C 的容器中運作。