如何擴(kuò)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(yīng)用要求電子產(chǎn)品工作在器件最大額定工作結(jié)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(qǐng)求我們 Aphesa 的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一款能夠在油井中工作的高溫?cái)z像頭(如圖 1 所示)。該器件要求使用相當(dāng)大的FPGA 而且溫度要求至少高達(dá) 125℃——即系統(tǒng)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(nèi)的定制電子產(chǎn)品的咨詢(xún)公司，我們?cè)诟邷毓ぷ鳁l件方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。但就這個(gè)項(xiàng)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(zhí)行嵌入式圖像處理、色彩重構(gòu)和通信。該系統(tǒng)具有存儲(chǔ)器、LED 驅(qū)動(dòng)器和高動(dòng)態(tài)范圍 (HDR) 成像功能。針對(duì)該項(xiàng)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?yàn)樗哂袑挿旱墓ぷ鳒囟确秶?、穩(wěn)健可靠、封裝尺寸小、擁有大型嵌入式存儲(chǔ)器和大量單元。

　　該項(xiàng)目非常具有挑戰(zhàn)性，也有大量樂(lè)趣。下面介紹我們?nèi)绾瓮瓿稍擁?xiàng)目，首先

　　回顧一下溫度的部分概念，包括結(jié)溫、熱阻和其他現(xiàn)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(yīng)對(duì)可能的熱點(diǎn)問(wèn)題并提出相應(yīng)的解決方案。

　　在這個(gè)特定項(xiàng)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(jié)溫。但令人遺憾的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員關(guān)心的是環(huán)境溫度。環(huán)境溫度和結(jié)溫的差異將取決于封裝傳遞熱量的能力以及冷卻系統(tǒng)將該熱量散出系統(tǒng)機(jī)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(biāo)。因?yàn)闊嶙璧拇嬖?，熱流通過(guò)的組件的內(nèi)外側(cè)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(duì)機(jī)身內(nèi)外側(cè)溫差 20℃ 的情況，最大結(jié)溫為 125℃ 的器件能夠在高達(dá) 105℃ 的環(huán)境下工作。熱阻的表達(dá)方式是℃/W，即耗散 1W 熱量時(shí)內(nèi)側(cè)和外側(cè)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(yùn)行在器件上的代碼。器件內(nèi)部(結(jié)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(shù)設(shè)計(jì)中需要冷卻的地方，設(shè)計(jì)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(qiáng)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(xiàn)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(shè)計(jì)人員常常使用的最終方法是熱電冷卻，即借助珀?duì)柼?yīng) (Peltier effect)(通過(guò)在連接到半導(dǎo)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(cè)，同時(shí)加熱另一側(cè)。雖然這一現(xiàn)象有助于把熱量從待冷卻的器件上帶走，但珀?duì)柼鋮s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?yàn)闄C(jī)箱中的空氣數(shù)量有限，空氣溫度會(huì)迅速達(dá)到均衡。水冷也不可能，因?yàn)樗春凸ぞ咧g距離很長(zhǎng)。因此對(duì)我們而言，珀?duì)柼?yīng)是唯一的冷卻解決方案。因?yàn)榄h(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(yīng)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(zhǎng)的導(dǎo)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(xiàn)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(nèi)工作高溫?cái)z像頭設(shè)計(jì)(如左圖所示)該攝像頭的特寫(xiě)見(jiàn)圖右。

　　圖 2 - 高溫?cái)z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(chǔ)器、LED 驅(qū)動(dòng)器或電源電路降低溫度。

　　由于珀?duì)柼?yīng)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(nèi)的峰值溫度。

　　熱點(diǎn)的原因

　　和不斷上升的溫度

　　在數(shù)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(yīng)。動(dòng)態(tài)功耗是在門(mén)觸發(fā)時(shí)用于為走線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(shù)。該功耗因內(nèi)核或 I/O 的耗電而產(chǎn)生。

　　當(dāng)熱量在空間中的某一點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)，它將向周邊傳遞，導(dǎo)致周邊區(qū)域升溫。如果周邊區(qū)域不是熱源，則熱量會(huì)散開(kāi)，溫升有限。只要等上足夠長(zhǎng)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(qū)域是其他熱源構(gòu)成的，因?yàn)槊總€(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(zhǎng)。

　　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(dǎo)致熱點(diǎn)產(chǎn)生。

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

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