提高針鰭散熱片散熱效率的方法

給定 FPGA 的熱量或功耗耗散與 FPGA 門(mén)的數量成正比。通常，FPGA門(mén)的數量越多，散熱就越多。在第一個(gè)實(shí)驗中，我們選用了封裝面積為 42.5mm2、散熱功率為30W的高級FPGA。首先，我們就該FPGA采用傳統的鰭片引腳散熱片，并收集溫度測量結果了確定散熱片的熱阻。然后我們選用喇叭狀散熱片，重復測量過(guò)程并再次計算熱阻。上述兩種散熱片的占位面積均為 2.05×2.05英寸，高度為0.6英寸并使用了高導性AL1100鋁合金。

　　我們將實(shí)驗運行三次，每次都用不同的氣流速度。第一次，進(jìn)氣流速度為適中的400每分鐘直線(xiàn)英尺(LFM);第二次，氣流速度降為 200LFM(空氣流速較低);而第三次，我們將氣流速度降為100LFM(氣流速度極低)。

　　表 1 給出了實(shí)驗結果。我們看到，喇叭狀引腳和傳統鰭片引腳的降溫性能都非常出色。不過(guò)，轉用喇叭狀設計之后，低氣流速度環(huán)境下的性能得到了大幅提升。400LFM情況下，喇叭狀散熱片的性能僅略高于傳統引腳，200LFM情況下高出14%，而100LFM情況下熱阻則大幅下降了24%。上述結果充分顯示了喇叭狀引腳設計在低氣流速度下所具有的突出優(yōu)勢。

　　實(shí)驗二：對多個(gè) FPGA 的降溫

　　包含大量器件的板相對于單FPGA板而言所面臨的降溫挑戰更加復雜。這是因為，在多器件情況下，板上的多個(gè)器件要共享周?chē)鷼饬?。在給多個(gè)高熱量FPGA降溫時(shí)，設計工程師不僅要考慮散熱片的熱阻問(wèn)題，還要考慮每個(gè)散熱片的壓降。壓降越低，對遠離氣流源的器件進(jìn)行降溫所需的空氣就越多。

　　由于空氣進(jìn)出引腳陣列的空間更大，喇叭狀散熱片的壓降較低于垂直結構的散熱片。為了說(shuō)明喇叭狀引腳在多FPGA環(huán)境中的低壓降和增強降溫效果的雙重優(yōu)勢，我們可進(jìn)行一項簡(jiǎn)單的實(shí)驗，讓相同的FPGA使用三個(gè)散熱片，排成一列放在風(fēng)扇后面。風(fēng)扇提供一定的氣流，我們隨后測量溫度，確定散熱片的熱阻。每個(gè)FPGA的功耗都是30W。我們將實(shí)驗運行兩次，一次采用3個(gè)傳統鰭片引腳散熱片，一次采用3個(gè)喇叭狀引腳散熱片。我們使用的散熱片面積為2.05×2.05英寸，高度為1.1英寸，在自由氣流環(huán)境下提供的風(fēng)扇風(fēng)速為400LFM。

　　該實(shí)驗的結果表明，就使用多個(gè)散熱片的板而言，采用喇叭狀引腳會(huì )帶來(lái)巨大優(yōu)勢。實(shí)驗證明，在使用喇叭狀散熱片的情況下，第二和第三個(gè)器件的熱阻下降了 26%~29%。這一性能優(yōu)勢要歸功于散熱片的低熱阻以及低壓降。

　展望未來(lái)

　　尖端 FPGA 的散熱量不斷增加，在此情況下，設計人員希望散熱片能夠提供更強的降溫性能。在某些情況下，無(wú)源散熱片本身將難以滿(mǎn)足散熱要求，設計人員必須采用有源散熱片解決方案，例如使用風(fēng)扇散熱，在散熱片上直接加裝風(fēng)扇等。熱管理廠(chǎng)商今后將越來(lái)越多地推出風(fēng)扇散熱解決方案。

　　在極高效的針鰭散熱片中嵌入風(fēng)扇這種集成解決方案就是新型高性能風(fēng)扇散熱的示例之一(圖 3)。借助于圓形引腳提供的更大湍流和通過(guò)引腳排列而獲得的較大表面積，這種集成風(fēng)扇散熱技術(shù)能以非常小型化的封裝提供出色的降溫性能，充分滿(mǎn)足ATCA和PCI Express應用的各種需求。

　　不過(guò)，在風(fēng)扇散熱器廣泛投入商用之前，設計人員還要在 FPGA 設計中繼續利用喇叭狀散熱片來(lái)提升散熱效果。