Išsami FPGA terminio dizaino apžvalga

    Kad bet koks lustas veiktų, jis turi atitikti temperatūros diapazoną. Ši temperatūra reiškia temperatūrą ant silicio lusto, kuri paprastai vadinama sandūros temperatūra.
ALTERA FPGA skirstoma į du tipus: komercinės klasės (komercinė) ir pramoninė (pramoninė). Komercinės klasės lustų, kurios gali normaliai veikti, sankryžos temperatūros diapazonas yra 0~85 laipsniai Celsijaus, o pramoninės klasės lustų diapazonas yra -40~100 laipsnių Celsijaus. Faktinėje grandinėje turime užtikrinti, kad lusto jungties temperatūra būtų priimtino diapazono ribose.

Didėjant lusto energijos sąnaudoms, darbo metu susidarys vis daugiau šilumos. Jei norite išlaikyti lusto sandūros temperatūrą normalioje ribose, turite imtis tam tikrų metodų, kad greitai išsklaidytumėte lusto generuojamą šilumą į aplinką.
Kiekvienas, kuris vidurinėje mokykloje studijavo fiziką, žino, kad yra trys pagrindiniai šilumos perdavimo būdai, būtent laidumas, konvekcija ir spinduliuotė, ir šiuos metodus taip pat naudoja lustai šilumai išsklaidyti.
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas supaprastintas lustų šilumos išsklaidymo modelis. Paveikslėlyje pavaizduoto lusto generuojama šiluma daugiausia perduodama į išorinę lusto pakuotę. Jei nėra pritvirtintas šilumos kriaukle, jis bus tiesiogiai išsklaidytas iš lusto pakuotės apvalkalo į aplinką; jei pridedamas aušintuvas, šiluma bus perduodama iš išorinės lusto pakuotės per aušintuvo klijus. į aušintuvą, o po to į aplinką per šilumnešį. Paprastai tariant, šilumos kriauklės paviršiaus plotas yra gana didelis, o kontaktinis paviršius su oru yra didelis, o tai yra palanki šilumos perdavimui. Įprastoje praktikoje nustatyta, kad dauguma šilumos šalintuvų yra juodi, nes juodi objektai lengvai išspinduliuoja šilumą į išorę, o tai taip pat skatina šilumos išsklaidymą. Ir kuo greitesnis vėjo greitis šilumos kriauklės paviršiuje, tuo geriau išsisklaido šiluma.

Supaprastintas drožlių šilumos srauto modelis
Be to, nedidelis šilumos kiekis per lusto pagrindą nukreipiamas į lusto litavimo rutulius, o po to per PCB šilumą išsklaido į aplinką. Kadangi šios šilumos dalies dalis yra santykinai maža, toliau aptariant drožlių paketo ir šilumos kriauklės šiluminę varžą į šią dalį neatsižvelgiama.

Visų pirma, turime suprasti „šilumos varžos“ sąvoką. Šiluminė varža apibūdina objekto gebėjimą praleisti šilumą. Kuo mažesnė šiluminė varža, tuo geresnis šilumos laidumas, ir atvirkščiai. Tai šiek tiek panašu į pasipriešinimo sąvoką.

Atsižvelgiant į lusto silicio lusto šiluminę varžą aplinkai, darant prielaidą, kad šilumnešis galutinai išsklaido visą šilumą į aplinką, galima gauti paprastą šiluminės varžos modelį, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau:

Chip aušinimo modelis su šilumos kriaukle
Bendra šiluminė varža nuo štampo iki aplinkos yra vadinama JA, todėl tenkina:
JA=JC plus CS plus SA
JC reiškia šiluminę varžą nuo lusto iki išorinės pakuotės, kurią paprastai pateikia lusto tiekėjas; CS reiškia šiluminę varžą nuo išorinės lusto pakuotės iki šilumos kriauklės. Jei šilumos kriauklė yra pritvirtinta prie lusto paviršiaus šilumai laidžiais klijais, ši šiluminė varža turi nukreipti šiluminius klijus. Šiluminę varžą paprastai užtikrina šilumai laidžių klijų tiekėjas; SA reiškia šiluminę varžą nuo aušintuvo iki aplinkos, kurią paprastai nurodo šilumos kriauklės gamintojas. Ši šiluminė varža mažėja didėjant vėjo greičiui, o gamintojas paprastai pateikia šiluminės varžos vertes esant skirtingiems vėjo greičiams.
Pati lusto pakuotė atlieka šilumos šalinimo funkciją. Jei lustas neturi šilumos kriauklės, JA yra silicio lusto šiluminė varža aplinkai po supakavimo. Ši vertė akivaizdžiai didesnė už JA vertę su šilumos kriaukle. Ši vertė priklauso nuo pačios lusto pakuotės savybių ir paprastai ją pateikia lusto gamintojas.
Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta ALTERA STRATIX IV įrenginio pakuotės šiluminė varža. Ji suteikia lusto JA reikšmę esant įvairiems vėjo greičiams, ir pagal šias reikšmes galima apskaičiuoti situaciją be šilumos kriauklės. Be to, JC naudojamas bendrai JA vertei su šilumos šalintuvu apskaičiuoti.

Stratix iv įrenginių paketų šiluminė varža
Darant prielaidą, kad silicio lusto suvartojama galia yra P, tada:
TJ (sankryžos temperatūra)=TA plius P*JA
Reikia įsitikinti, kad TJ negali viršyti maksimalios lusto leidžiamos sandūros temperatūros, o tada pagal aplinkos temperatūrą ir faktinę lusto sunaudotą galią skaičiuoti didžiausią leistiną JA poreikį.
JAMax=(TJMax – TA)/P TA (aplinkos temperatūra)
Jei paties lusto paketo JA yra didesnis už šią vertę, būtina apsvarstyti galimybę į lustą pridėti tinkamą šilumos išsklaidymo įrenginį, kad būtų sumažinta efektyvioji JA vertė nuo lusto į aplinką ir būtų išvengta lusto perkaitimo.
Faktinėje sistemoje dalis šilumos taip pat išsisklaidys iš PCB. Jei PCB yra daug sluoksnių ir didelis plotas, jis taip pat labai palankus šilumos išsklaidymui.