FPGA與DSP信號處理系統(tǒng)的散熱設(shè)計

引言
    隨著系統(tǒng)性能的不斷提升，系統(tǒng)功耗也隨之增大，如何對系統(tǒng)進行有效的散熱，控制系統(tǒng)溫度滿足芯片的正常工作條件變成了一個十分棘手的問題。通常使用風(fēng)冷技術(shù)對系統(tǒng)進行散熱。采用風(fēng)冷技術(shù)時要重點考慮散熱效率問題，一般可以通過使用較好的導(dǎo)熱材料和增大散熱面積來實現(xiàn)，但這就帶來了系統(tǒng)成本的提高和體積的增加，因此必須選擇最優(yōu)的結(jié)合點。另外，要充分考慮熱量傳播的方向，使其在以盡可能的路徑傳播到外界的同時，能夠保證熱量遠(yuǎn)離那些易受溫度影響的器件?，F(xiàn)在，一些公司也推出了進行系統(tǒng)散熱設(shè)計的輔助工具，大大提高了系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)以FPGA作為高性能實時信號處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制中心，2片DSP為數(shù)據(jù)處理中心，主要包括4個功能模塊——數(shù)據(jù)采集模塊、FPGA數(shù)據(jù)控制模塊、DSP處理模塊和通信模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)使用外部5 V穩(wěn)壓電源作為主電源供電；采用50 MHz外部晶振輸入，并在FPGA內(nèi)部完成分頻和倍頻。復(fù)位方式有兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。在FPGA內(nèi)部，通過計數(shù)器自動產(chǎn)生一個上電復(fù)位信號，然后讓該信號與MAX811提供的復(fù)位信號經(jīng)過與門，產(chǎn)生系統(tǒng)板上的復(fù)位信號，這樣做既能保證上電復(fù)位的時間又能夠保留MAX811手動復(fù)位的特點。

2 系統(tǒng)功耗估計
    本系統(tǒng)的核心部分主要由1片F(xiàn)PGA(XC3S1500)與2片DSP(ADSP-TS201)組成，它們占據(jù)了系統(tǒng)功耗的主要部分，因此要對這部分功耗進行大致的估算，同時考慮到板上的其他器件，對估算的結(jié)果適當(dāng)放寬，最終給出電源部分的具體設(shè)計參數(shù)。
    (1)FPGA(XC3S1500)功耗估計
    XC3S1500正常工作時需要提供3個電壓：1．2 V內(nèi)核電壓、2．5 V以及3．3 V的I／O電壓，其功耗估計情況如表1所列。

    (2)DSP(ADSP-TS201)功耗估計
    ADSP-TS201正常工作時需要提供3個電壓：1．2 V內(nèi)核電壓、1．6 V片上DRAM電壓以及2．5 V的I／O電壓。當(dāng)ADSP-TS201工作在600MHz時，其功耗情況如表2所列。

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3 FLOPCB散熱設(shè)計軟件介紹
    FLOPCB是英國Flomerics公司推出的專門用于PCB散熱設(shè)計的軟件。啟動后其界面如圖2所示。

    該軟件具有如下特點：
    ◆方便快速地建立PCB板級溫度系統(tǒng)模型；
    ◆直觀靈活的結(jié)果觀測方式；
    ◆操作界面簡單易用。
    在進行散熱設(shè)計時，通過使用FLOPCB給出了系統(tǒng)的散熱方案。

4 系統(tǒng)散熱設(shè)計方案
    由表1與表2的功耗估計結(jié)果不難看出，ADSP-TS201及XC3S1500是系統(tǒng)中發(fā)熱量最大的部分，可以看作系統(tǒng)的熱源。在FLOPCB中，可以繪制出系統(tǒng)PCB的溫度模型1，如圖3所示。

    在模型1中還未加入任何散熱裝置，仿真后結(jié)果如圖4所示。

    從圖4中可以看到，ADSP-TS201附近的溫度達到了75℃左右，已十分接近ADSP-TS201的正常工作溫度，而XC3S1500周圍的溫度也達到了42．2℃。當(dāng)使用30 mm(L)×30 mm(W)×15 mm(H)的散熱片后，可構(gòu)建溫度模型2，如圖5所示。仿真后結(jié)果如圖6所示。

    比較圖4與圖6不難看出，ADSP-TS201附近的溫度降低到了55℃左右，而XC3S1500周圍的溫度也降低了4．2℃?？梢?，通過加入散熱片有效地提高了系統(tǒng)的散熱性能，達到了系統(tǒng)散熱的目的。

結(jié)語
    本文主要介紹了通用高性能實時信號處理系統(tǒng)的散熱設(shè)計方法。在系統(tǒng)功耗估算的基礎(chǔ)上，通過一些軟件輔助設(shè)計來確定器件參數(shù)，給出系統(tǒng)核心部分的散熱解決方案。在進行系統(tǒng)散熱方案設(shè)計時，通過借助FLOPCB熱分析軟件輔助分析，結(jié)合系統(tǒng)自身的散熱特點，給出了適合于本系統(tǒng)應(yīng)用的參考散熱方案。經(jīng)過實際驗證，該方案確實有較好的散熱效果。