如何擴展 FPGA 的工作溫度范圍

　　部分應用要求電子產(chǎn)品運行的溫度高于該器件規定的最高工作結溫。油井攝像頭設計就是一個(gè)很好的例證。

　　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。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，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。

　　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)。

　　如果超過(guò)最高溫度會(huì )發(fā)生什么情況？

　　隨著(zhù)工作溫度升高，器件的使用壽命會(huì )下降，部件會(huì )老化得更快。某些老化過(guò)程，如電遷移和電腐蝕只會(huì )在較高溫度下發(fā)生。電遷移發(fā)生在有濕氣和電場(chǎng)存在的條件下。此時(shí)導體的原子會(huì )以離子形態(tài)從他們的初始位置移動(dòng)，在另外的地方復位，留下一個(gè)空隙。這個(gè)空隙會(huì )減小該位置導體的有效寬度，造成該位置電場(chǎng)增強，從而誘發(fā)更多的電遷移。這種鏈式反應會(huì )在原子移走的位置導致裂隙（開(kāi)路）或在原子重定位的地方導致短路（樹(shù)突）。為數不多的幾層水分子足以引發(fā)金屬的離子化過(guò)程，觸發(fā)電遷移。這一現象會(huì )隨著(zhù)溫度升高明顯嚴重化。

　　像鐵生銹這樣的腐蝕現象涉及濕氣和有害氣體。半導體材料封閉在其保護性封裝中。這種封裝一般對濕氣有高吸收性，但制作所用的材料不會(huì )輕易地產(chǎn)生腐蝕性離子溶液。這種腐蝕大多數情況下會(huì )給引線(xiàn)框和封裝接線(xiàn)造成不利影響。最重要的有害材料是硅鈍化層中所含的磷，以及半導體制造工藝或封裝工藝所殘留的部分污染物。在運輸、焊接和裝配過(guò)程中接觸人體皮膚和其他化學(xué)品是導致污染的有害原子的其他可能來(lái)源。

　　當異質(zhì)材料連接在一起時(shí)，較便宜的材料相對于較貴的材料容易發(fā)生腐蝕（電化腐蝕）。這類(lèi)型的腐蝕是隨時(shí)間推移性能降低的又一個(gè)原因。

　　在超過(guò)結溫溫度的情況下，無(wú)法保證器件的使用壽命，可能會(huì )大幅度縮短。如果溫度持續增長(cháng)，該器件可能會(huì )立即失效。

　　器件的性能也取決于速度。器件在較高溫度下速度會(huì )下降，因此它們的最大時(shí)鐘速率會(huì )降低。

　　之所以把 Spartan-6 XA（汽車(chē)級）FPGA 的最高溫度限定為 125℃ 是出于最低使用壽命要求（可靠性考慮）和有保證的時(shí)鐘頻率能力（性能要求）。其他原因包 RAM 單元漏電和因這種漏電造成的位錯誤。

　　多種解決方案

　　為克服我們的油井攝像頭設計的各類(lèi)難題，我們實(shí)施了多種解決方案。

　　其中最重要的決定之一是選擇大小合適的器件。越大型的器件的靜態(tài)功耗越大，但有利于器件的散熱，避免形成熱點(diǎn)。經(jīng)認證用于汽車(chē)用途的器件即使在高溫下也具有較長(cháng)的使用壽命，因此對于使用壽命要求不高的工業(yè)應用而言，更是一款合適的解決方案。我們已經(jīng)評估了 XA（車(chē)用）系列的 LX25 和 LX45 器件免溫度周期過(guò)程中發(fā)生板層分離問(wèn)題中的代碼并測量了器件殼體的總功耗和溫度。有時(shí)如果峰值溫度較低，提高器件平均溫度也可接受。我們還在加速老化測試中評估了使用壽命。

　　我們的下一個(gè)設計選擇是為器件使用設定限制。為減少器件耗散的熱量，我們盡可能地避免使用邏輯單元和存儲器。器件未使用得到部分會(huì )消耗靜態(tài)功耗，但不會(huì )消耗動(dòng)態(tài)功耗。

　　我們還施加了時(shí)鐘門(mén)控。因為動(dòng)態(tài)功耗取決于時(shí)鐘速率，我們可以使用時(shí)鐘門(mén)控抵消未被使用的模塊的動(dòng)態(tài)功耗。如果時(shí)鐘樹(shù)未觸發(fā)，器件該部分的功耗就會(huì )降低。

　　我們還可以將我們使用的 I/O 數量保持在最低水平。這樣也可以降低 I/O 模塊的功耗。

　　因此，通過(guò)把部分 I/O 用作虛地，我們縮短了器件內部電流的傳輸距離，從而降低了電源走線(xiàn)的焦耳效應。虛地也有助于把熱量傳遞到地面。

　　因為我們不想使用所有的 I/O 和所有的邏輯單元，我們選擇把這個(gè)設計分布到兩個(gè) FPGA 上（圖 5）。這樣就可以讓熱量在兩個(gè)單獨的位置耗散。

　　我們還使用多個(gè)接地面。這一技巧有助于把熱量從溫度較高的地方向溫度較低的地方傳遞，并提供額外的熱容量。為開(kāi)發(fā)板的可靠性起見(jiàn)，在設計熱平面時(shí)應考慮避。

　　一個(gè)重要步驟是優(yōu)化我們的代碼以

　　降低時(shí)鐘速率。降低時(shí)鐘速率可以降低功耗，但也可以讓器件在更高的溫度下運行。作為例子，我們評估了慢速并行設計和快速流水線(xiàn)化設計之間的權衡取舍。

　　為提升設計性能，我們確保在最終裝配前干燥各個(gè)組件并覆蓋一層能抵御濕氣的保護層。另在高溫下器件會(huì )老化得更快?？梢允褂卯a(chǎn)品認證來(lái)衡量設計的器件實(shí)際使用壽命隨溫度變化情況。

　　我們也在生產(chǎn)中采用老化流程來(lái)預老化器件，移除那些老化速度看似比其他部件更快的部件（早期失效），從而只保留下最好的部件。

　　對我們的設計流程同樣重要的是使用雖然按規范其結溫不得超過(guò) 125℃。此外我們還努力做到了無(wú)需熱電冷卻也能在 125℃ 下正常運行。

　　以恢復或至少檢測存儲器單元中或通信中的位錯誤。如果狀態(tài)機以未使用的狀態(tài)結束，也可以恢復。

　　我們發(fā)現在開(kāi)展我們的設計時(shí)使用賽靈思功耗估算器 （XPE） 是良好的開(kāi)端。TVivado® Design Suite 為采用較新型的器件的設計提供功耗估算工具。不過(guò)測量真實(shí)器件上的功耗和比較不同版本的代碼經(jīng)證明是最理想、最準確的做法。

　　非熱電冷卻

　　綜合運用上述技巧，循環(huán)冗余檢查 （CRC） 和其他類(lèi)型的錯誤檢測和糾正措施。我們在設計里的各個(gè)位置使用這些技巧，我們得到了一款能夠工作在 125℃ 環(huán)境溫度下且具備 SDRAM 管理、通信總線(xiàn)和圖像處理能力的攝像頭