在FPGA設計中利用喇叭狀針鰭散熱器來提升散熱效果

近年來，尖端FPGA的功能快速發(fā)展到了前所未有的高度。但不幸的是，功能方面的快速發(fā)展也隨之加大了對散熱的需求。因此，設計人員需要更高效的散熱片來為集成電路提供足夠的降溫需求。

為了滿足上述需求，熱管理供應商推出了多種可提供給定容量下更強降溫效果的高性能散熱片設計方案。喇叭狀針鰭散熱器就是近年來推出的比較重要的技術(shù)之一。這種散熱器最初設計用于FPGA降溫，其具有的某些特性使之特別適用于普通FPGA環(huán)境。

更好的降溫和氣流管理

喇叭狀針鰭散熱片置有一系列圓柱形引腳。如圖1所示，這些引腳作為散熱片的鰭片，呈外傾狀排列。由于其獨特的物理結(jié)構(gòu)，喇叭狀針鰭散熱片根據(jù)中低速氣流環(huán)境進行了優(yōu)化，其能在這種環(huán)境中實現(xiàn)前所未有的降溫效果。該類散熱片的材質(zhì)可采用銅或鋁，占位面積為 0.54×0.54 英寸到 2.05×2.05 英寸不等，高度在不到半英寸至剛超過一英寸之間。這種大小可以滿足各種尺寸FPGA的要求。

喇叭狀針鰭散熱片是對傳統(tǒng)散熱器的一種衍生發(fā)展，傳統(tǒng)的鰭片呈垂直狀排列（見圖 2）。為了解喇叭狀針鰭散熱片的降溫特點，我們應該先了解一下傳統(tǒng)散熱器的降溫屬性。傳統(tǒng)散熱片的降溫性能也很出色，主要體現(xiàn)為熱阻較低。熱阻值單位為℃/W，用于測量器件每瓦特功率消耗致使溫度上升的攝氏度數(shù)（高于周圍溫度）。

傳統(tǒng)針鰭散熱片的低熱阻主要得益于下列幾種特性：圓柱形引腳、引腳陣列的全向結(jié)構(gòu)及其較大的表面積，以及基座和引腳的高導熱性等，這些都有助于提高散熱片的性能。圓柱形引腳相對于正方形或長方形鰭片而言對氣流的阻力較低，再加上引腳陣列的全向結(jié)構(gòu)，都有助于周圍氣流方便地進出引腳陣列。

氣流撞擊圓柱形引腳會引起湍流，進而增強氣流。受較低的氣流阻力以及引腳陣列中的湍流影響，散熱片的較大表面積都能暴露于大量氣流之中。

用于制造針鰭散熱片的高導性合金也有助于提高性能。傳統(tǒng)和喇叭狀鰭片的鑄造工藝都使用了 AL1100 和 CDA110 合金，其熱導性較高于其他類型散熱片所用的合金。

通過增加了引腳之間的間距，喇叭狀鰭片較傳統(tǒng)翼形引腳而言將降溫性能又提高了一步。要想了解增加間距對散熱片性能所產(chǎn)生的影響，我們必須考慮到散熱片設計本身存在的散熱片面積與引腳密度之間的沖突問題。

要實現(xiàn)顯著的降溫效果，那么散熱片必須有足夠的表面面積，否則，如果表面積過小，散熱片就不能散發(fā)掉足夠的熱量。同時，如果散熱片表面積越大（其包含的引腳就越多），也就越難讓周圍氣流進入引腳陣列。不幸的是，如果散熱片不能充分暴露于周圍氣流，則不管其表面積多大，都不能有效散熱。

擴大引腳間距使空氣能更方便地流通。要讓空氣通過散熱片的速度與空氣進入散熱片的速度接近。

通過使引腳排列更加緊密來增大表面積，可以提高散熱片的降溫性能。但是，這樣做又會阻礙氣流，從而降低散熱性能。這是供應商在設計垂直引腳散熱片時必然要面臨的內(nèi)在矛盾。

但是，通過讓引腳向外彎曲，喇叭狀引腳有效地克服了表面積與引腳密度之間的矛盾。這種方法在給定的面積下大幅增加了引腳之間的間距。因此，周圍氣流可更加方便地進出引腳陣列。散熱片的表面暴露于流速更快的空氣中，散熱量也因之得以大幅增加。這種改進在氣流速度較低時尤其明顯，因為氣流速度越慢，周圍空氣進入散熱片引腳陣列就越困難。因此，喇叭狀引腳散熱片在低氣流速度的環(huán)境最為適用。

較低的壓降是喇叭狀引腳設計的另一個優(yōu)勢。擴大引腳之間的間距可使空氣更方便地通過散熱片，相對于引腳間距較小的散熱片，也讓空氣流出散熱片的速度更接近于空氣進入散熱片的速度。壓降影響對包含大量散熱片和其他元件的板尤其重要，壓降較低就能為風扇提供更多氣流讓器件降溫。

我們通過兩個實驗來說明設計人員采用喇叭狀引腳設計所能實現(xiàn)的優(yōu)勢。這兩個實驗將在占位面積、高度、引腳數(shù)量、表面積和金屬材質(zhì)相同的條件下比較喇叭狀和傳統(tǒng)鰭片引腳的散熱性能。我們從結(jié)果中可以得出這樣重要的一點信息，即傳統(tǒng)的鰭片引腳本身也很強大，也是目前可用的最高效的散熱技術(shù)之一。

實驗一：冷卻單個高級 FPGA

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，對遠離氣流源的器件進行降溫所需的空氣就越多。

由于空氣進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，排成一列放在風扇后面。風扇提供一定的氣流，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)境下提供的風扇風速為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，設計人員必須采用有源散熱片解決方案，例如使用風扇散熱，在散熱片上直接加裝風扇等。熱管理廠商今后將越來越多地推出風扇散熱解決方案。

在極高效的針鰭散熱片中嵌入風扇這種集成解決方案就是新型高性能風扇散熱的示例之一（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應用的各種需求。

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

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