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 門的數(shù)量成正比。通常，F(xiàn)PGA門的數(shù)量越多，散熱就越多。在第一個實驗中，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(tǒng)的鰭片引腳散熱片，并收集溫度測量結(jié)果了確定散熱片的熱阻。然后我們選用喇叭狀散熱片，重復(fù)測量過程并再次計算熱阻。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(dǎo)性AL1100鋁合金。

　　我們將實驗運行三次，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 給出了實驗結(jié)果。我們看到，喇叭狀引腳和傳統(tǒng)鰭片引腳的降溫性能都非常出色。不過，轉(zhuǎn)用喇叭狀設(shè)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(tǒng)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(jié)果充分顯示了喇叭狀引腳設(shè)計在低氣流速度下所具有的突出優(yōu)勢。

　　實驗二：對多個 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(zhàn)更加復(fù)雜。這是因為，在多器件情況下，板上的多個器件要共享周圍氣流。在給多個高熱量FPGA降溫時，設(shè)計工程師不僅要考慮散熱片的熱阻問題，還要考慮每個散熱片的壓降。壓降越低，對遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)的散熱片。為了說明喇叭狀引腳在多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)行一項簡單的實驗，讓相同的FPGA使用三個散熱片，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FPGA的功耗都是30W。我們將實驗運行兩次，一次采用3個傳統(tǒng)鰭片引腳散熱片，一次采用3個喇叭狀引腳散熱片。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。

　　該實驗的結(jié)果表明，就使用多個散熱片的板而言，采用喇叭狀引腳會帶來巨大優(yōu)勢。實驗證明，在使用喇叭狀散熱片的情況下，第二和第三個器件的熱阻下降了 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

　　尖端 FPGA 的散熱量不斷增加，在此情況下，設(shè)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，無源散熱片本身將難以滿足散熱要求，設(shè)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。熱管理廠商今后將越來越多地推出風(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，充分滿足ATCA和PCI Express應(yīng)用的各種需求。

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