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FPGA信號處理系統的散熱解決方案介紹

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-04-23 08:29 ? 次閱讀

隨著系統性能的不斷提升,系統功耗也隨之增大,如何對系統進行有效的散熱,控制系統溫度滿足芯片的正常工作條件變成了一個十分棘手的問題。通常使用風冷技術對系統進行散熱。采用風冷技術時要重點考慮散熱效率問題,一般可以通過使用較好的導熱材料和增大散熱面積來實現,但這就帶來了系統成本的提高和體積的增加,因此必須選擇最優的結合點。另外,要充分考慮熱量傳播的方向,使其在以盡可能的路徑傳播到外界的同時,能夠保證熱量遠離那些易受溫度影響的器件。現在,一些公司也推出了進行系統散熱設計的輔助工具,大大提高了系統設計的可靠性。

1 系統結構

本系統以FPGA作為高性能實時信號處理系統的數據采集和控制中心,2片DSP為數據處理中心,主要包括4個功能模塊——數據采集模塊、FPGA數據控制模塊、DSP處理模塊和通信模塊,系統結構框圖如圖1所示。

FPGA信號處理系統的散熱解決方案介紹

系統使用外部5 V穩壓電源作為主電源供電;采用50 MHz外部晶振輸入,并在FPGA內部完成分頻和倍頻。復位方式有兩種:上電復位和手動復位。在FPGA內部,通過計數器自動產生一個上電復位信號,然后讓該信號與MAX811提供的復位信號經過與門,產生系統板上的復位信號,這樣做既能保證上電復位的時間又能夠保留MAX811手動復位的特點。

2 系統功耗估計

本系統的核心部分主要由1片FPGA(XC3S1500)與2片DSP(ADSP-TS201)組成,它們占據了系統功耗的主要部分,因此要對這部分功耗進行大致的估算,同時考慮到板上的其他器件,對估算的結果適當放寬,最終給出電源部分的具體設計參數。

(1)FPGA(XC3S1500)功耗估計

XC3S1500正常工作時需要提供3個電壓:1.2 V內核電壓、2.5 V以及3.3 V的I/O電壓,其功耗估計情況如表1所列。

FPGA信號處理系統的散熱解決方案介紹

(2)DSP(ADSP-TS201)功耗估計

ADSP-TS201正常工作時需要提供3個電壓:1.2 V內核電壓、1.6 V片上DRAM電壓以及2.5 V的I/O電壓。當ADSP-TS201工作在600MHz時,其功耗情況如表2所列。

FPGA信號處理系統的散熱解決方案介紹

3 FLOPCB散熱設計軟件介紹

FLOPCB是英國Flomerics公司推出的專門用于PCB散熱設計的軟件。啟動后其界面如圖2所示。

FPGA信號處理系統的散熱解決方案介紹

該軟件具有如下特點:

◆方便快速地建立PCB板級溫度系統模型;

◆直觀靈活的結果觀測方式;

◆操作界面簡單易用。

在進行散熱設計時,通過使用FLOPCB給出了系統的散熱方案。

4 系統散熱設計方案

由表1與表2的功耗估計結果不難看出,ADSP-TS201及XC3S1500是系統中發熱量最大的部分,可以看作系統的熱源。在FLOPCB中,可以繪制出系統PCB的溫度模型1,如圖3所示。

FPGA信號處理系統的散熱解決方案介紹

在模型1中還未加入任何散熱裝置,仿真后結果如圖4所示。

FPGA信號處理系統的散熱解決方案介紹

從圖4中可以看到,ADSP-TS201附近的溫度達到了75℃左右,已十分接近ADSP-TS201的正常工作溫度,而XC3S1500周圍的溫度也達到了42.2℃。當使用30 mm(L)×30 mm(W)×15 mm(H)的散熱片后,可構建溫度模型2,如圖5所示。仿真后結果如圖6所示。

FPGA信號處理系統的散熱解決方案介紹

比較圖4與圖6不難看出,ADSP-TS201附近的溫度降低到了55℃左右,而XC3S1500周圍的溫度也降低了4.2℃。可見,通過加入散熱片有效地提高了系統的散熱性能,達到了系統散熱的目的。

結語

本文主要介紹了通用高性能實時信號處理系統的散熱設計方法。在系統功耗估算的基礎上,通過一些軟件輔助設計來確定器件參數,給出系統核心部分的散熱解決方案。在進行系統散熱方案設計時,通過借助FLOPCB熱分析軟件輔助分析,結合系統自身的散熱特點,給出了適合于本系統應用的參考散熱方案。經過實際驗證,該方案確實有較好的散熱效果。


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