实例讲解系统散热解决方案

作者:Kenshin

在系统设计的初期我们不仅要考虑要实现的功能,性能,可操作性等方面,还有一方面便是实地的使用环境,如高温,高湿等恶劣的条件给系统设计提出了新的要求。今天就以油井下摄像头探测系统应用给大家一些思路上的启发。

这个系统是一个用于井下检查双彩色摄像头应用,需要的功能有嵌入式图像处理,色彩重构,通信以及高动态(HDR)防抖图像采集能力。油井下要求系统至少在125摄氏度的环境温度下还要能够正常工作,综合以上方面我们采用Xilinx Spartan-6 XA6SLX45 FPGA器件,因为它的工作温度范围比较广,鲁棒性,封装尺寸小,内存和LUT资源都比较丰富。(图1 油井下环境示意图)

很多系统设计中都需要考虑散热,大体可分类两类:被动散热和主动散热。被动散热一般是增加与空气接触的面积,主动散热一般是采取措施主动降低温度,如增加风扇,水冷等解决方案。通常在电子系统上一般都采用热电冷却方法,如珀尔帖效应:利用电流通过两种适宜物质的结点处而产生温度降低的现象。尽管这个方案能够帮助降低器件的温度,但是它还有一个缺点就是需要大量的外部电源能量供给。

对于我们这个案例空气制冷不适用,因为大量的空气一般是被封闭起来的,空气温度很快就会上升,水冷方案更不适合,因为冷水循环输送是个很大的问题,因此综合以上考虑我们目前只能采用珀尔帖效应进行散热设计。但是还需要我们提供较大的电流以及导体材料,实际情况是我们只能提供有限的额外电流,因此只能起到小幅度降温的效果。

而且我们的器件还包括摄像头,图像采集质量会随着温度升高而呈现指数级降低,因此我们还必须优化我们的散热措施,重点放在图像传感器上而不是FPGA,内存以及电源电路部分,因为采用珀尔帖效应对FPGA进行散热几乎是不可能的,我们唯一的办法就是降低FPGA内部的峰值温度,同时我们也采用小尺寸封装的FPGA器件,因为越大的器件就会有更多的静态功率消耗,就会产生更多的热量。

我们还优化我们的FPGA代码,使用尽量少的逻辑资源(LUT)。同时我们还优化时钟频率,动态的功率消耗与始终频率相关。我们使用尽量少的I/O管脚,将不用的I/O管脚作为虚拟地处理,缩短电流流通距离,减少焦耳效应的影响,这样也能降低FPGA内部I/O区块的功率消耗。
在电路板(PCB)的设计上,我们可以使用多层地,增加热传导和热循环,这种设计同样会增加电路板(PCB)的可靠性。最重要的是优化FPGA代码设计,使得FPGA工作在一个合适的时钟频率上,既能满足性能的要求又不会产生过多的功率消耗。

图2 采用Xilinx Spartan-6 FPGA设计的图像采集模块

图2 采用Xilinx Spartan-6 FPGA设计的图像采集模块

通过以上各方面的散热考虑,如上图我们最终实现的板卡能够在125摄氏度的环境温度下正常工作,具有的功能包括SDRAM管理,总线通信以及图像采集处理,当然能否满足系统要求还需要进行实地测试和老化测试等,只有满足这些才能算是一个合格的系统设计。

综上所述系统散热解决方案还是有很多方面可以作为切入点的,重要的是结合系统的实际应用环境综合选择合适的方法。

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