FPGA与DSP信号处理系统的散热设计

1万 · 2013-1-4 22:44

本帖最后由 kkzz 于 2013-1-4 22:48 编辑

随随着系统性能的不断提升，系统功耗也随之增大，如何对系统进行有效的散热，控制系统温度满足芯片的正常工作条件变成了一个十分棘手的问题。通常使用风冷技术对系统进行散热。采用风冷技术时要重点考虑散热效率问题，一般可以通过使用较好的导热材料和增大散热面积来实现，但这就带来了系统成本的提高和体积的增加，因此必须选择最优的结合点。另外，要充分考虑热量传播的方向，使其在以尽可能的路径传播到外界的同时，能够保证热量远离那些易受温度影响的器件。现在，一些公司也推出了进行系统散热设计的辅助工具，大大提高了系统设计的可靠性。
1　系统结构
　　本系统以FPGA作为高性能实时信号处理系统的数据采集和控制中心，2片DSP为数据处理中心，主要包括4个功能模块——数据采集模块、FPGA数据控制模块、DSP处理模块和通信模块，系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图
　　系统使用外部5 V稳压电源作为主电源供电；采用50 MHz外部晶振输入，并在FPGA内部完成分频和倍频。复位方式有两种：上电复位和手动复位。在FPGA内部，通过计数器自动产生一个上电复位信号，然后让该信号与MAX811提供的复位信号经过与门，产生系统板上的复位信号，这样做既能保证上电复位的时间又能够保留MAX811手动复位的特点。
2　系统功耗估计
　　本系统的核心部分主要由1片FPGA（XC3S1500）与2片DSP（ADSPTS201）组成，它们占据了系统功耗的主要部分，因此要对这部分功耗进行大致的估算，同时考虑到板上的其他器件，对估算的结果适当放宽，最终给出电源部分的具体设计参数。
（1） FPGA（XC3S1500）功耗估计
　　XC3S1500正常工作时需要提供3个电压：1.2 V内核电压、2.5 V以及3.3 V的I/O电压，其功耗估计情况如表1所列。

表1　XC3S1500功耗估计（2） DSP（ADSPTS201）功耗估计

1万 · 2013-1-4 22:45

本帖最后由 kkzz 于 2013-1-4 22:48 编辑

ADSPTS201正常工作时需要提供3个电压：1.2 V内核电压、1.6 V片上DRAM电压以及2.5 V的I/O电压。当ADSPTS201工作在600 MHz时，其功耗情况如表2所列。

3　FLOPCB散热设计软件介绍
3　FLOPCB散热设计软件介绍
FLOPCB是英国Flomerics公司推出的专门用于PCB散热设计的软件。启动后其界面如图2所示。

图2　FLOPCB主窗口
该软件具有如下特点：
　　◆ 方便快速地建立PCB板级温度系统模型；
　　◆ 直观灵活的结果观测方式；
　　◆ 操作界面简单易用。
　　在进行散热设计时，通过使用FLOPCB给出了系统的散热方案。
4　系统散热设计方案
　　由表1与表2的功耗估计结果不难看出，ADSPTS201及XC3S1500是系统中发热量最大的部分，可以看作系统的热源。在FLOPCB中，可以绘制出系统PCB的温度模型1，如图3所示。

图3　系统PCB温度模型1
在模型1中还未加入任何散热装置，仿真后结果如图4所示。

1万 · 2013-1-4 22:49

。

图4　系统PCB温度模型1的仿真结果　　从图4中可以看到，ADSPTS201附近的温度达到了75 ℃左右，已十分接近ADSPTS201的正常工作温度，而XC3S1500周围的温度也达到了42.2 ℃。当使用30 mm（L）×30 mm（W）×15 mm（H）的散热片后，可构建温度模型2，如图5所示。仿真后结果如图6所示。

图5　系统PCB温度模型2

图6　系统PCB温度模型2的仿真结果
　　比较图4与图6不难看出，ADSPTS201附近的温度降低到了55 ℃左右，而XC3S1500周围的温度也降低了4.2 ℃。可见，通过加入散热片有效地提高了系统的散热性能，达到了系统散热的目的。
结语
　　本文主要介绍了通用高性能实时信号处理系统的散热设计方法。在系统功耗估算的基础上，通过一些软件辅助设计来确定器件参数，给出系统核心部分的散热解决方案。在进行系统散热方案设计时，通过借助FLOPCB热分析软件辅助分析，结合系统自身的散热特点，给出了适合于本系统应用的参考散热方案。经过实际验证，该方案确实有较好的散热效果。