FPGA的60W~72W高密度电源的电气性能、热性能及布局设计之深入分析

总之，DC/DC µModule 稳压器是独立且完整的系统，其外形尺寸与 IC 芯片相当。扁平、高效率和均流能力造就了适合新一代数字系统的实用型高功率解决方案。凭借平衡的均流和平稳均匀的启动操作，在 48A 输出电流条件下获得了十分出色的热性能。这款设计的简单易行最大限度地缩短了开发时间，同时节省了板级空间。

热性能和布局

通过并联 4 个 DC/DC µModule 稳压器提供 72W 功率

在本文的第一部分里，我们讨论了一款针对四 FPGA 设计的紧凑和扁平的 48A、1.5V DC/DC 稳压器解决方案。这种新方法采用了 4 个并联的 DC/DC µModule 稳压器 (见图 1)，以增加输出电流并实现各器件之间的均流。该解决方案所依靠的是这些 µModule 稳压器之间的准确均流，以通过在一个狭小的表面积内均匀地散逸热量来防止热点的出现。每个 DC/DC µModule 器件都是一个完整的电源，具有板上电感器、DC/DC 控制器、MOSFET、补偿电路和输入/输出旁路电容器。µModule 稳压器的占板面积仅为 15mm x 15mm，且高度仅为 2.8mm。这种扁平的外形可使空气在整个电路上顺畅地流动，同时将热量从电路去除 (图 7~10)。此外，由于其高度很低，因此这款解决方案不会对周围的组件产生热遮蔽，从而为实现整个系统的最佳热性能提供了进一步的帮助。

　　热性能

在缩小 FPGA 型系统尺寸的同时提升其功能、存储容量和计算能力的发展潮流促使设计人员不断改进用于冷却组件的方法。一种简单的方法是在组件的上方提供有效的气流。较高的组件会妨碍气流掠过诸如 FPGA 或存储器 IC 等采用较扁薄封装的器件。在采用预制型 DC/DC 负载点稳压器时，这种阻塞气流的情况将很严重，因为这些器件的高度达到了 FPGA 及其他 IC 高度的 6~10 倍。

在把内部产生的热量从封装的顶部高效地散逸出去的过程中，FPGA 的薄型球栅阵列 (BGA) 封装极为有益。当诸如预制型 DC/DC 稳压器等较高的器件阻止了气流并在其旁边的器件上投下一个“阴影”时，这种好处就被削弱了。

图 7 是图 1 所示电路板的热像，并提供了特定位置的温度读数。光标 1~4 示出了每个模块上的表面温度估计值。光标 5~7 指示 PCB 的表面温度。请留意内侧的两个稳压器 (光标 1 和 2) 与外侧的两个稳压器 (光标 3 和 4) 之间的温度差异。置于外侧的 LTM4601 µModule 稳压器在其左侧和右侧设有很大的平面，从而增强了散热效果，可把器件冷却几度 (℃。内侧的两个 µModule 稳压器则只具有很小的顶部和底部平面用于散逸热量，因此温度比外侧的两个 µModule 稳压器略高。

另外，气流还对系统的热平衡有着实质性的影响。请注意图 2 和图 3 之间的温度差异。在图 7 中，一个 200LFM 的气流均匀地从演示电路板的底部传播至顶部，因而与图 7 中给出的无气流场合相比在电路板上实现了 20℃ 的降温幅度。

气流的方向也很重要。在图 4 中，气流从右至左传播，将热量从一个 µModule 稳压器驱赶至下一个 µModule 稳压器，从而产生堆积效应。位于右边的最靠近气流源的 µModule 器件温度最低。最左边的 µModule 稳压器则由于遭受来自其他 LTM4601 µModule 稳压器的溢出热量而呈现稍高的温度。

至 PCB 的热传导也会随着气流的变化而改变。在图 7 中，热量均匀地传递至 PCB 的左侧和右侧。在图 9 中，大部分热量移动至左侧。图 10 示出了一种极端的情形 —— 热量从一个 µModule 器件堆积至下一个 µModule 器件。4 个 µModule 稳压器均各安装了一个 BGA 散热器，而且整个电路板在一个环境温度为 75°C 的容器中运作。