如何扩展FPGA 的工作温度范围

作者：Arnaud Darmont Aphesa 公司创始人兼首席执行官和首席技术官 arnaud.darmont@aphesa.com

部分应用要求电子产品运行的温度高于该器件规定的最高工作结温。油井摄像头设计就是一个很好的例证。

任何电子器件的使用寿命均取决于其工作温度。在较高温度下器件会加快老化，使用寿命会缩短。但某些应用要求电子产品工作在器件最大额定工作结温下。以石油天然气产业为例来说明这个问题以及解决方案。

一位客户请求我们 Aphesa 的团队设计一款能够在油井中工作的高温摄像头（如图 1 所示）。该器件要求使用相当大的 FPGA 而且温度要求至少高达 125℃——即系统的工作温度。作为一家开发定制摄像头和包括 FPGA 代码及嵌入式软件在内的定制电子产品的咨询公司，我们在高温工作条件方面拥有丰富的经验。但就这个项目而言，我们还得多花些精力。

该产品是一种用于油井检查的井下双色摄像头（如图 2 所示）。它能执行嵌入式图像处理、色彩重构和通信。该系统具有存储器、LED 驱动器和高动态范围 (HDR) 成像功能。针对该项目，我们选择使用赛灵思提供的 XA6SLX45 器件（Spartan®-6 LX45 车用器件），因为它具有宽泛的工作温度范围、稳健可靠、封装尺寸小、拥有大型嵌入式存储器和大量单元。

该项目非常具有挑战性，也有大量乐趣。下面介绍我们如何完成该项目，首先回顾一下温度的部分概念，包括结温、热阻和其他现象。我们将了解器件中温升的原因并列出我们的解决方案。我们还将应对可能的热点问题并提出相应的解决方案。

在这个特定项目中，热电冷却方式的使用受限，我们不得不寻找其他解决方案。

温度变化

电子器件通常会指定最大结温。但令人遗憾的是系统设计人员关心的是环境温度。环境温度和结温的差异将取决于封装传递热量的能力以及冷却系统将该热量散出系统机箱的能力。

热阻是一个热属性，也是衡量给定材料阻碍热量流动的幅度的指标。因为热阻的存在，热流通过的组件的内外侧温度会有差异，正如电流的存在造成电阻两端的电压不同。对机身内外侧温差 20℃ 的情况，最大结温为 125℃ 的器件能够在高达 105℃ 的环境下工作。热阻的表达方式是℃/W，即耗散 1W 热量时内侧和外侧的温差即为热阻。这一关系以公式表示即为图 3 所示。

热阻是一种热属性，用来衡量给定材料阻碍热量流动的幅度。

耗散的热能取决于器件、电路、时钟频率和运行在器件上的代码。器件内部（结温）和所在环境（环境温度）之间的温差因此取决于器件、代码和工作原理图。

常用冷却解决方案

在大多数设计中需要冷却的地方，设计人员使用无源冷却（散热器通过增大空气接触表面，帮助将热量散发到空气中）或使用有源冷却。有源冷却解决方案一般通过强制气流，帮助更换用于吸收器件上热量的冷空气。空气吸收热量的能力取决于空气与器件之间的温差以及空气的压力。其他解决方案包括液体冷却，用液体（一般是水）取代空气，可实现更高的散热效率。空气或流体吸热的能力由图 4 给出的热吸收等式决定。设计人员常常使用的最终方法是热电冷却，即借助珀尔帖效应 (Peltier effect)（通过在连接到半导体样品的两个电极间施加电压来形成温差）来冷却冷却板的一侧，同时加热另一侧。虽然这一现象有助于把热量从待冷却的器件上带走，但珀尔帖冷却有存在另一大不利因素：它要求大量的外部功耗。

在我们的案例中,气流不是解决方案，因为机箱中的空气数量有限，空气温度会迅速达到均衡。水冷也不可能，因为水源和工具之间距离很长。因此对我们而言，珀尔帖效应是唯一的冷却解决方案。因为环境温度是固定的（我们不能像图 3 的公式一样为大量液体加热），热电效应冷却器实际上会降低电子产品的温度。令人遗憾的是，由于冷却装置需要大电流,而且需要用超长的导体将表面与工具相连，实际上只有有限的电流可用于冷却，而且只能实现较小的温差。


图 1 - 工作温度高于装置的额定最大温度的油井内工作高温摄像头设计（如左图所示）该摄像头的特写见图右。


图 2 - 高温摄像头和高温处理板均配备赛灵思 Spartan-6 FPGA。

此外,由于我们的装置是一个摄像头，画质会随温度升高急剧下降。因此我们必须优化我们的冷却策略，尽量为图像传感器降低温度，而不是 FPGA、存储器、LED 驱动器或电源电路降低温度。

由于珀尔帖效应只能选择用于冷却图像传感器，用于冷却 FPGA 几乎没有可能，所以我们唯一的选择是降低 FPGA 内的峰值温度。

热点的原因

和不断上升的温度

在数字器件中有三个功耗来源：动态、静态和焦耳效应。动态功耗是在门触发时用于为走线电容充放电而消耗的电力。它与时钟速率和总电容大小成正比。静态功耗是器件类型、核心电压和技术的函数。该功耗因内核或 I/O 的耗电而产生。

当热量在空间中的某一点产生时，它将向周边传递，导致周边区域升温。如果周边区域不是热源，则热量会散开，温升有限。只要等上足够长的时间,温度最终会在整个器件中均衡化。如果周边区域是其他热源构成的，因为每个热源都会给另一个热源带来热量，温度就会净增长。

如果许多热源集中在一小块面积上，则这个面积的温度会上升得比其他地方快，导致热点产生。

由于器件的结温受限，实际上最热点的温度不应超过最大结温。在知道器件的功耗和封装的温度后，所有我们能估计的平均结温。

最后一个热源与电流在导体中流动产生的焦耳效应有关。