如何擴展 FPGA 的工作溫度

　　任何電子器件的使用壽命均取決于其工作溫度。在較高溫度下器件會(huì )加快老化，使用壽命會(huì )縮短。但某些應用要求電子產(chǎn)品工作在器件最大額定工作結溫下。以石油天然氣產(chǎn)業(yè)為例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題以及解決方案。

　　一位客戶(hù)請求我們 Aphesa 的團隊設計一款能夠在油井中工作的高溫攝像頭(如圖 1 所示)。該器件要求使用相當大的FPGA 而且溫度要求至少高達 125℃——即系統的工作溫度。作為一家開(kāi)發(fā)定制攝像頭和包括 FPGA 代碼及嵌入式軟件在內的定制電子產(chǎn)品的咨詢(xún)公司，我們在高溫工作條件方面擁有豐富的經(jīng)驗。但就這個(gè)項目而言，我們還得多花些精力。

　　該產(chǎn)品是一種用于油井檢查的井下雙色攝像頭(如圖 2 所示)。它能執行嵌入式圖像處理、色彩重構和通信。該系統具有存儲器、LED 驅動(dòng)器和高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 成像功能。針對該項目，我們選擇使用賽靈思提供的 XA6SLX45 器件(Spartan?-6 LX45 車(chē)用器件)，因為它具有寬泛的工作溫度范圍、穩健可靠、封裝尺寸小、擁有大型嵌入式存儲器和大量單元。

　　該項目非常具有挑戰性，也有大量樂(lè )趣。下面介紹我們如何完成該項目，首先

　　回顧一下溫度的部分概念，包括結溫、熱阻和其他現象。我們將了解器件中溫升的原因并列出我們的解決方案。我們還將應對可能的熱點(diǎn)問(wèn)題并提出相應的解決方案。

　　在這個(gè)特定項目中，熱電冷卻方式的使用受限，我們不得不尋找其他解決方案。

　　溫度變化

　　電子器件通常會(huì )指定最大結溫。但令人遺憾的是系統設計人員關(guān)心的是環(huán)境溫度。環(huán)境溫度和結溫的差異將取決于封裝傳遞熱量的能力以及冷卻系統將該熱量散出系統機箱的能力。

　　熱阻是一個(gè)熱屬性，也是衡量給定材料阻礙熱量流動(dòng)的幅度的指標。因為熱阻的存在，熱流通過(guò)的組件的內外側溫度會(huì )有差異，正如電流的存在造成電阻兩端的電壓不同。對機身內外側溫差 20℃ 的情況，最大結溫為 125℃ 的器件能夠在高達 105℃ 的環(huán)境下工作。熱阻的表達方式是℃/W，即耗散 1W 熱量時(shí)內側和外側的溫差即為

　　熱阻是一種熱屬性，用來(lái)衡量給定材料阻礙熱量流動(dòng)的幅度。

　　熱阻。這一關(guān)系以公式表示即為圖 3 所示。

　　耗散的熱能取決于器件、電路、時(shí)鐘頻率和運行在器件上的代碼。器件內部(結溫)和所在環(huán)境(環(huán)境溫度)之間的溫差因此取決于器件、代碼和工作原理圖。

　　常用冷卻解決方案

　　在大多數設計中需要冷卻的地方，設計人員使用無(wú)源冷卻(散熱器通過(guò)增大空氣接觸表面，幫助將熱量散發(fā)到空氣中)或使用有源冷卻。有源冷卻解決方案一般通過(guò)強制氣流，幫助更換用于吸收器件上熱量的冷空氣?？諝馕諢崃康哪芰θQ于空氣與器件之間的溫差以及空氣的壓力。其他解決方案包括液體冷卻，用液體(一般是水)取代空氣，可實(shí)現更高的散熱效率?？諝饣蛄黧w吸熱的能力由圖 4 給出的熱吸收等式?jīng)Q定。設計人員常常使用的最終方法是熱電冷卻，即借助珀爾帖效應 (Peltier effect)(通過(guò)在連接到半導體樣品的兩個(gè)電極間施加電壓來(lái)形成溫差)來(lái)冷卻冷卻板的一側，同時(shí)加熱另一側。雖然這一現象有助于把熱量從待冷卻的器件上帶走，但珀爾帖冷卻有存在另一大不利因素：它要求大量的外部功耗。

　　在我們的案例中,氣流不是解決方案，因為機箱中的空氣數量有限，空氣溫度會(huì )迅速達到均衡。水冷也不可能，因為水源和工具之間距離很長(cháng)。因此對我們而言，珀爾帖效應是唯一的冷卻解決方案。因為環(huán)境溫度是固定的(我們不能像圖 3 的公式一樣為大量液體加熱)，熱電效應冷卻器實(shí)際上會(huì )降低電子產(chǎn)品的溫度。令人遺憾的是，由于冷卻裝置需要大電流,而且需要用超長(cháng)的導體將表面與工具相連，實(shí)際上只有有限的電流可用于冷卻，而且只能實(shí)現較小的溫差。

　　圖 1 - 工作溫度高于裝置的額定最大溫度的油井內工作高溫攝像頭設計(如左圖所示)該攝像頭的特寫(xiě)見(jiàn)圖右。

　　圖 2 - 高溫攝像頭和高溫處理板均配備賽靈思 Spartan-6 FPGA。

　　此外,由于我們的裝置是一個(gè)攝像頭，畫(huà)質(zhì)會(huì )隨溫度升高急劇下降。因此我們必須優(yōu)化我們的冷卻策略，盡量為圖像傳感器降低溫度，而不是 FPGA、存儲器、LED 驅動(dòng)器或電源電路降低溫度。

　　由于珀爾帖效應只能選擇用于冷卻圖像傳感器，用于冷卻 FPGA 幾乎沒(méi)有可能，所以我們唯一的選擇是降低 FPGA 內的峰值溫度。

　　熱點(diǎn)的原因

　　和不斷上升的溫度

　　在數字器件中有三個(gè)功耗來(lái)源：動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和焦耳效應。動(dòng)態(tài)功耗是在門(mén)觸發(fā)時(shí)用于為走線(xiàn)電容充放電而消耗的電力。它與時(shí)鐘速率和總電容大小成正比。靜態(tài)功耗是器件類(lèi)型、核心電壓和技術(shù)的函數。該功耗因內核或 I/O 的耗電而產(chǎn)生。

　　當熱量在空間中的某一點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)，它將向周邊傳遞，導致周邊區域升溫。如果周邊區域不是熱源，則熱量會(huì )散開(kāi)，溫升有限。只要等上足夠長(cháng)的時(shí)間,溫度最終會(huì )在整個(gè)器件中均衡化。如果周邊區域是其他熱源構成的，因為每個(gè)熱源都會(huì )給另一個(gè)熱源帶來(lái)熱量，溫度就會(huì )凈增長(cháng)。

　　如果許多熱源集中在一小塊面積上，則這個(gè)面積的溫度會(huì )上升得比其他地方快，導致熱點(diǎn)產(chǎn)生。

　　由于器件的結溫受限，實(shí)際上最熱點(diǎn)的溫度不應超過(guò)最大結溫。在知道器件的功耗和封裝的溫度后，所有我們能估計的平均結溫。

　　最后一個(gè)熱源與電流在導體中流動(dòng)產(chǎn)生的焦耳效應有關(guān)。