FPGAシステム向けPCB熱管理の最適化

近年、電子製品の小型化、集積化、モジュール化が進み、電子部品の実装密度が高まり、効果的な放熱面積が減少しています。したがって、高出力電子部品の熱設計と基板レベルの放熱問題が電子エンジニアの間で非常に一般的になっています。FPGA（フィールドプログラマブルゲートアレイ）システムでは、熱放散はチップが正常に動作できるかどうかを決定する極めて重要な技術の一つです。PCB熱設計の目的は、適切な対策と方法で部品と基板の温度を下げ、システムを適切な温度で動作させることです。PCBの放熱には多数の対策がありますが、放熱コストと実用性などの要件を考慮しなければなりません。本記事では、実践的な放熱問題の分析に基づき、FPGAシステム制御基板向けのPCB熱設計手法を提案し、FPGAシステム制御基板の優れた放熱能力を確保します。

FPGAシステム制御基板と放熱問題

本記事で使用するFPGAシステム制御基板は主に、制御チップFPGA（アルテラ® Cyclone IIIシリーズのEP3C5E144C7、QFPパッケージ）、+3.3Vと+1.2V電源回路、50MHzクロック回路、リセット回路、JTAGとASダウンロードインターフェース回路、SRAMメモリ、I/Oインターフェースで構成されます。FPGAシステム制御基板の構造は図1に示します。

FPGAシステム制御基板の熱源は以下の通り：

• 制御基板への多数の種類の電源（+5V、+3.3V、+1.2V等）と電源モジュールは、長時間動作時に大量の熱を発生。適切な対策を効果的に講じない限り、電源モジュールは正常に動作しない。
• 制御基板上のFPGAクロック周波数は50MHzで、PCB配線密度が高い。システム集積度の向上によりシステム消費電力が高くなり、FPGAチップには必要な放熱対策が必要。
• PCB基板自体が発熱。銅導体はPCBの基本材料の一つで、銅導体回路は電流交換と消費電力により発熱する。

FPGA制御基板による回路システムの熱源分析に基づき、FPGA制御基板に必要な放熱対策を講じ、システム全体の安定性と信頼性を高める必要があります。

FPGAチップによるPCB制御の熱設計

1. 電源の熱設計

FPGAシステム制御基板は+5V外部直流（DC）電源に接続され、1A以上の電流供給が必要です。LDOチップLT1117（小型SOT-23 SMDパッケージ）を電源モジュールとして選定し、+5V DC電力を+3.3V VCCIOインターフェース電圧と+1.2V VCCINT VCOREに変換可能です。

上記分析によれば、FPGAの+3.3Vと+1.2V電圧要件を満たすため、電源回路設計では2つのLT1117チップが必要です。電源モジュールの放熱対策には以下の側面が含まれます：

• FPGAチップに電力を供給する電源モジュールの高速放熱を確保するため、必要に応じてLDOチップにヒートシンクを追加。
• 電源モジュールは長時間動作で発熱するため、隣接電源モジュール間には一定距離を維持。2つのLDOチップLT1117間の距離は20mm以上を確保。
• 放熱促進のため、LDOチップLT1117の場所で独立した銅張りを実施（図2参照）。

2. スルーホールの熱設計

PCB上で大量発熱する部品の底面またはその近くに、導電性メタルビアを配置すべきです。放熱ビアはPCBを貫通する小さな穴で、直径0.4〜1mm、ビア間距離1〜1.2mmの範囲です。PCBを貫通するビアにより、表面側のエネルギーが他の放熱層へ速やかに伝達され、PCB高温側の部品が瞬時に冷却され、放熱面積が効果的に増加し、抵抗が低減されます。最終的にPCBの電力密度が向上します。スルーホールの熱設計は図3に示します。

3. FPGAチップの熱設計

FPGAチップの熱は主に、VCOREとI/O電圧消費などの動的エネルギー消費、メモリ・内部ロジック・システムによる消費、FPGAが他モジュール（ビデオ、無線モジュール等）を制御する際の消費から生じます。FPGAチップQFPパッケージ設計時、FPGAチップ中心に4.5mm×4.5mmの銅箔を追加し、複数の放熱パッドを設計。必要に応じてヒートシンクを追加可能。FPGAチップの熱設計は図4に示します。

4. 銅張りの熱設計

PCBへの銅張りは、回路の耐干渉能力向上とPCB放熱促進の両方に寄与します。Altium Designer Summer 09ベースのPCB設計では通常、大面積銅張りとグリッド形状銅張りの2タイプがあります。大面積ストリップ形状銅張りには欠陥があり、PCBの長時間動作で大量の発熱が生じ、ストリップ形状銅箔が膨張・剥離する可能性があります。したがって、優れたPCB放熱能力を得るには、グリッド形状で銅張りを実施し、グリッドを回路のグランドネットワークと接続することで、システムのシールド効果と放熱性能を向上させるべきです。銅張りの熱設計は図5に示します。

回路基板の熱設計は、PCBの動作安定性と信頼性を決定する上で極めて重要な役割を果たし、熱設計手法の決定が最も重要な考慮事項です。本記事では、FPGAシステム制御基板の放熱対策について議論し、コストと実用性を考慮して適切な手法を選択すべきです。

参考リソース

• PCB熱設計の最も包括的な原則
• PCB熱設計の考慮事項
• 高温環境における高電力PCB設計
• メタルコアPCB：PCBとPCBAの熱問題への理想的ソリューション
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応