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在FPGA设计中利用喇叭状针鳍散热器来提升散热效果

2020年07月22日 16:17 次阅读

近年来,尖端FPGA的功能快速发展到了前所未有的高度。但不幸的是,功能方面的快速发展也随之加大了对散热的需求。因此,设计人员需要更高效的散热片来为集成电路提供足够的降温需求。

为了满足上述需求,热管理供应商推出了多种可提供给定容量下更强降温效果的高性能散热片设计方案。喇叭状针鳍散热器就是近年来推出的比较重要的技术之一。这种散热器最初设计用于FPGA降温,其具有的某些特性使之特别适用于普通FPGA环境。

更好的降温和气流管理

喇叭状针鳍散热片置有一系列圆柱形引脚。如图1所示,这些引脚作为散热片的鳍片,呈外倾状排列。由于其独特的物理结构,喇叭状针鳍散热片根据中低速气流环境进行了优化,其能在这种环境中实现前所未有的降温效果。该类散热片的材质可采用铜或铝,占位面积为 0.54×0.54 英寸到 2.05×2.05 英寸不等,高度在不到半英寸至刚超过一英寸之间。这种大小可以满足各种尺寸FPGA的要求。

在FPGA设计中利用喇叭状针鳍散热器来提升散热效果

喇叭状针鳍散热片是对传统散热器的一种衍生发展,传统的鳍片呈垂直状排列(见图 2)。为了解喇叭状针鳍散热片的降温特点,我们应该先了解一下传统散热器的降温属性。传统散热片的降温性能也很出色,主要体现为热阻较低。热阻值单位为℃/W,用于测量器件每瓦特功率消耗致使温度上升的摄氏度数(高于周围温度)。

传统针鳍散热片的低热阻主要得益于下列几种特性:圆柱形引脚、引脚阵列的全向结构及其较大的表面积,以及基座和引脚的高导热性等,这些都有助于提高散热片的性能。圆柱形引脚相对于正方形或长方形鳍片而言对气流的阻力较低,再加上引脚阵列的全向结构,都有助于周围气流方便地进出引脚阵列。

气流撞击圆柱形引脚会引起湍流,进而增强气流。受较低的气流阻力以及引脚阵列中的湍流影响,散热片的较大表面积都能暴露于大量气流之中。

用于制造针鳍散热片的高导性合金也有助于提高性能。传统和喇叭状鳍片的铸造工艺都使用了 AL1100 和 CDA110 合金,其热导性较高于其他类型散热片所用的合金。

通过增加了引脚之间的间距,喇叭状鳍片较传统翼形引脚而言将降温性能又提高了一步。要想了解增加间距对散热片性能所产生的影响,我们必须考虑到散热片设计本身存在的散热片面积与引脚密度之间的冲突问题。

要实现显著的降温效果,那么散热片必须有足够的表面面积,否则,如果表面积过小,散热片就不能散发掉足够的热量。同时,如果散热片表面积越大(其包含的引脚就越多),也就越难让周围气流进入引脚阵列。不幸的是,如果散热片不能充分暴露于周围气流,则不管其表面积多大,都不能有效散热。

扩大引脚间距使空气能更方便地流通。要让空气通过散热片的速度与空气进入散热片的速度接近。

通过使引脚排列更加紧密来增大表面积,可以提高散热片的降温性能。但是,这样做又会阻碍气流,从而降低散热性能。这是供应商在设计垂直引脚散热片时必然要面临的内在矛盾。

但是,通过让引脚向外弯曲,喇叭状引脚有效地克服了表面积与引脚密度之间的矛盾。这种方法在给定的面积下大幅增加了引脚之间的间距。因此,周围气流可更加方便地进出引脚阵列。散热片的表面暴露于流速更快的空气中,散热量也因之得以大幅增加。这种改进在气流速度较低时尤其明显,因为气流速度越慢,周围空气进入散热片引脚阵列就越困难。因此,喇叭状引脚散热片在低气流速度的环境最为适用。

较低的压降是喇叭状引脚设计的另一个优势。扩大引脚之间的间距可使空气更方便地通过散热片,相对于引脚间距较小的散热片,也让空气流出散热片的速度更接近于空气进入散热片的速度。压降影响对包含大量散热片和其他元件的板尤其重要,压降较低就能为风扇提供更多气流让器件降温。

我们通过两个实验来说明设计人员采用喇叭状引脚设计所能实现的优势。这两个实验将在占位面积、高度、引脚数量、表面积和金属材质相同的条件下比较喇叭状和传统鳍片引脚的散热性能。我们从结果中可以得出这样重要的一点信息,即传统的鳍片引脚本身也很强大,也是目前可用的最高效的散热技术之一。

实验一:冷却单个高级 FPGA

给定 FPGA 的热量或功耗耗散与 FPGA 门的数量成正比。通常,FPGA门的数量越多,散热就越多。在第一个实验中,我们选用了封装面积为 42.5mm2、散热功率为30W的高级FPGA。首先,我们就该FPGA采用传统的鳍片引脚散热片,并收集温度测量结果了确定散热片的热阻。然后我们选用喇叭状散热片,重复测量过程并再次计算热阻。上述两种散热片的占位面积均为 2.05×2.05英寸,高度为0.6英寸并使用了高导性AL1100铝合金。

我们将实验运行三次,每次都用不同的气流速度。第一次,进气流速度为适中的400每分钟直线英尺(LFM);第二次,气流速度降为 200LFM(空气流速较低);而第三次,我们将气流速度降为100LFM(气流速度极低)。

表 1 给出了实验结果。我们看到,喇叭状引脚和传统鳍片引脚的降温性能都非常出色。不过,转用喇叭状设计之后,低气流速度环境下的性能得到了大幅提升。 400LFM情况下,喇叭状散热片的性能仅略高于传统引脚,200LFM情况下高出14%,而100LFM情况下热阻则大幅下降了24%。上述结果充分显示了喇叭状引脚设计在低气流速度下所具有的突出优势。

实验二:对多个 FPGA 的降温

包含大量器件的板相对于单FPGA板而言所面临的降温挑战更加复杂。这是因为,在多器件情况下,板上的多个器件要共享周围气流。在给多个高热量FPGA降温时,设计工程师不仅要考虑散热片的热阻问题,还要考虑每个散热片的压降。压降越低,对远离气流源的器件进行降温所需的空气就越多。

由于空气进出引脚阵列的空间更大,喇叭状散热片的压降较低于垂直结构的散热片。为了说明喇叭状引脚在多FPGA环境中的低压降和增强降温效果的双重优势,我们可进行一项简单的实验,让相同的FPGA使用三个散热片,排成一列放在风扇后面。风扇提供一定的气流,我们随后测量温度,确定散热片的热阻。每个FPGA的功耗都是 30W。我们将实验运行两次,一次采用3个传统鳍片引脚散热片,一次采用3个喇叭状引脚散热片。我们使用的散热片面积为2.05×2.05英寸,高度为1.1英寸,在自由气流环境下提供的风扇风速为400LFM。

该实验的结果表明,就使用多个散热片的板而言,采用喇叭状引脚会带来巨大优势。实验证明,在使用喇叭状散热片的情况下,第二和第三个器件的热阻下降了 26%~29%。这一性能优势要归功于散热片的低热阻以及低压降。

展望未来

尖端 FPGA 的散热量不断增加,在此情况下,设计人员希望散热片能够提供更强的降温性能。在某些情况下,无源散热片本身将难以满足散热要求,设计人员必须采用有源散热片解决方案,例如使用风扇散热,在散热片上直接加装风扇等。热管理厂商今后将越来越多地推出风扇散热解决方案。

在极高效的针鳍散热片中嵌入风扇这种集成解决方案就是新型高性能风扇散热的示例之一(图 3)。借助于圆形引脚提供的更大湍流和通过引脚排列而获得的较大表面积,这种集成风扇散热技术能以非常小型化的封装提供出色的降温性能,充分满足ATCA和PCI Express应用的各种需求。

不过,在风扇散热器广泛投入商用之前,设计人员还要在 FPGA 设计中继续利用喇叭状散热片来提升散热效果。

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发表于 2020-07-15 20:38 111次阅读
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