Ein umfassender Überblick über das thermische Design von FPGAs
Damit ein Chip funktioniert, muss er einem Temperaturbereich entsprechen. Diese Temperatur bezieht sich auf die Temperatur auf dem Siliziumchip, die üblicherweise als Sperrschichttemperatur bezeichnet wird.
Die FPGAs von ALTERA sind in zwei Typen unterteilt: kommerzielle Qualität (Commercial) und Industriequalität (Induatrial). Der Sperrschichttemperaturbereich von handelsüblichen Chips, die normal funktionieren können, liegt bei 0~85 Grad Celsius, während der Bereich von Industriechips bei -40~100 Grad Celsius liegt. Im eigentlichen Schaltkreis müssen wir sicherstellen, dass die Sperrschichttemperatur des Chips innerhalb seines akzeptablen Bereichs liegt.
Mit steigendem Stromverbrauch des Chips entsteht beim Arbeiten immer mehr Wärme. Wenn Sie die Sperrschichttemperatur des Chips im normalen Bereich halten möchten, müssen Sie bestimmte Methoden anwenden, um die vom Chip erzeugte Wärme schnell an die Umgebung abzuleiten.
Jeder, der in der Mittelschule Physik studiert hat, weiß, dass es drei Hauptmethoden der Wärmeübertragung gibt, nämlich Leitung, Konvektion und Strahlung, und diese Methoden werden auch von Chips verwendet, um Wärme nach außen abzuleiten.
Die folgende Abbildung zeigt ein vereinfachtes Modell der Chip-Wärmeableitung. Die vom Chip in der Abbildung erzeugte Wärme wird hauptsächlich auf die äußere Verpackung des Chips übertragen. Wenn kein Kühlkörper angebracht ist, wird er direkt vom Gehäuse des Chipgehäuses an die Umgebung abgegeben; Wenn ein Kühlkörper hinzugefügt wird, wird die Wärme von der Außenverpackung des Chips durch den Kleber des Kühlkörpers übertragen. an den Kühlkörper und dann über den Kühlkörper an die Umgebung weiter. Im Allgemeinen ist die Oberfläche des Kühlkörpers recht groß und die Kontaktfläche mit der Luft groß, was die Wärmeübertragung begünstigt. In der üblichen Praxis hat sich herausgestellt, dass die meisten Kühlkörper schwarz sind, da schwarze Objekte leicht Wärme nach außen abstrahlen können, was auch der Wärmeableitung nach außen förderlich ist. Und je schneller die Windgeschwindigkeit auf der Oberfläche des Kühlkörpers ist, desto besser ist die Wärmeableitung.
Vereinfachtes Chip-Wärmeflussmodell
Darüber hinaus wird eine kleine Wärmemenge durch das Chipsubstrat zu den Lötkugeln des Chips geleitet und dann über die Leiterplatte an die Umgebung abgegeben. Da der Anteil dieses Wärmeanteils relativ gering ist, wird dieser Teil bei der Diskussion des Wärmewiderstands des Chipgehäuses und des Kühlkörpers im Folgenden ignoriert.
Zunächst müssen wir das Konzept des „Wärmewiderstands“ verstehen. Der Wärmewiderstand beschreibt die Fähigkeit eines Gegenstandes, Wärme zu leiten. Je kleiner der Wärmewiderstand, desto besser die Wärmeleitfähigkeit und umgekehrt. Dies ähnelt in gewisser Weise dem Konzept des Widerstands.
Aus dem Wärmewiderstand des Siliziumchips des Chips gegenüber der Umgebung kann unter der Annahme, dass die gesamte Wärme schließlich über den Kühlkörper an die Umgebung abgeleitet wird, ein einfaches Wärmewiderstandsmodell erhalten werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:
Chipkühlungsmodell mit Kühlkörper
Der gesamte Wärmewiderstand vom Chip zur Umgebung wird als JA bezeichnet und erfüllt somit:
JA=JC plus CS plus SA
JC bezieht sich auf den Wärmewiderstand vom Chip zum externen Gehäuse, der im Allgemeinen vom Chiplieferanten bereitgestellt wird; CS bezieht sich auf den Wärmewiderstand vom Außengehäuse des Chips bis zum Kühlkörper. Wenn der Kühlkörper mit Wärmeleitkleber auf der Oberfläche des Chips befestigt wird, dient dieser Wärmewiderstand zur Führung des Wärmeleitklebers. Der Wärmewiderstand wird im Allgemeinen vom Lieferanten des wärmeleitenden Klebstoffs bereitgestellt. SA bezieht sich auf den thermischen Widerstand vom Kühlkörper zur Umgebung, der im Allgemeinen vom Kühlkörperhersteller angegeben wird. Dieser Wärmewiderstand nimmt mit zunehmender Windgeschwindigkeit ab, und der Hersteller gibt in der Regel die Wärmewiderstandswerte bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten an.
Das Gehäuse des Chips selbst fungiert als Kühlkörper. Wenn der Chip keinen Kühlkörper hat, ist JA der thermische Widerstand des Siliziumchips gegenüber der Umgebung nach dem Verpacken. Dieser Wert ist offensichtlich größer als der JA-Wert mit Kühlkörper. Dieser Wert hängt von den Eigenschaften des Gehäuses des Chips selbst ab und wird im Allgemeinen vom Chiphersteller bereitgestellt.
Die folgende Abbildung zeigt den Wärmewiderstand des Gehäuses für das STRATIX IV-Gerät von ALTERA. Es gibt den JA-Wert des Chips bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten an und diese Werte können zur Berechnung der Situation ohne Kühlkörper verwendet werden. Darüber hinaus wird JC zur Berechnung des Gesamt-JA-Wertes mit Kühlkörper verwendet.
Wärmewiderstand von Stratix iv-Gerätepaketen
Unter der Annahme, dass die vom Siliziumchip verbrauchte Leistung P ist, gilt:
TJ(Sperrschichttemperatur)=TA plus P*JA
Es muss sichergestellt werden, dass TJ die vom Chip maximal zulässige Sperrschichttemperatur nicht überschreiten kann, und dann die maximal zulässige Anforderung für JA entsprechend der Umgebungstemperatur und der tatsächlich vom Chip verbrauchten Leistung berechnet werden.
JAMax=(TJMax - TA)/P TA(Umgebungstemperatur)
Wenn der JA des Chipgehäuses selbst größer als dieser Wert ist, muss darüber nachgedacht werden, dem Chip eine geeignete Wärmeableitungsvorrichtung hinzuzufügen, um den effektiven JA-Wert vom Chip an die Umgebung zu reduzieren und eine Überhitzung des Chips zu verhindern.
In einem realen System wird ein Teil der Wärme auch von der Leiterplatte abgeleitet. Wenn die Leiterplatte viele Schichten und eine große Fläche aufweist, ist sie auch für die Wärmeableitung sehr förderlich.
