如何擴展 FPGA 的工作溫度

　　任何電子器件的使用壽命均取決于其工作溫度。在較高溫度下器件會加快老化，使用壽命會縮短。但某些應用要求電子產品工作在器件最大額定工作結溫下。以石油天然氣產業為例來說明這個問題以及解決方案。

　　一位客戶請求我們 Aphesa 的團隊設計一款能夠在油井中工作的高溫攝像頭（如圖 1 所示）。該器件要求使用相當大的FPGA 而且溫度要求至少高達 125℃——即系統的工作溫度。作為一家開發定制攝像頭和包括 FPGA 代碼及嵌入式軟件在內的定制電子產品的咨詢公司，我們在高溫工作條件方面擁有豐富的經驗。但就這個項目而言，我們還得多花些精力。

　　該產品是一種用于油井檢查的井下雙色攝像頭（如圖 2 所示）。它能執行嵌入式圖像處理、色彩重構和通信。該系統具有存儲器、LED 驅動器和高動態范圍 （HDR） 成像功能。針對該項目，我們選擇使用賽靈思提供的 XA6SLX45 器件（Spartan?-6 LX45 車用器件），因為它具有寬泛的工作溫度范圍、穩健可靠、封裝尺寸小、擁有大型嵌入式存儲器和大量單元。

　　該項目非常具有挑戰性，也有大量樂趣。下面介紹我們如何完成該項目，首先

　　回顧一下溫度的部分概念，包括結溫、熱阻和其他現象。我們將了解器件中溫升的原因并列出我們的解決方案。我們還將應對可能的熱點問題并提出相應的解決方案。

　　在這個特定項目中，熱電冷卻方式的使用受限，我們不得不尋找其他解決方案。

　　溫度變化

　　電子器件通常會指定最大結溫。但令人遺憾的是系統設計人員關心的是環境溫度。環境溫度和結溫的差異將取決于封裝傳遞熱量的能力以及冷卻系統將該熱量散出系統機箱的能力。

　　熱阻是一個熱屬性，也是衡量給定材料阻礙熱量流動的幅度的指標。因為熱阻的存在，熱流通過的組件的內外側溫度會有差異，正如電流的存在造成電阻兩端的電壓不同。對機身內外側溫差 20℃ 的情況，最大結溫為 125℃ 的器件能夠在高達 105℃ 的環境下工作。熱阻的表達方式是℃/W，即耗散 1W 熱量時內側和外側的溫差即為

　　熱阻是一種熱屬性，用來衡量給定材料阻礙熱量流動的幅度。

　　熱阻。這一關系以公式表示即為圖 3 所示。

　　耗散的熱能取決于器件、電路、時鐘頻率和運行在器件上的代碼。器件內部（結溫）和所在環境（環境溫度）之間的溫差因此取決于器件、代碼和工作原理圖。

　　常用冷卻解決方案

　　在大多數設計中需要冷卻的地方，設計人員使用無源冷卻（散熱器通過增大空氣接觸表面，幫助將熱量散發到空氣中）或使用有源冷卻。有源冷卻解決方案一般通過強制氣流，幫助更換用于吸收器件上熱量的冷空氣?？諝馕諢崃康哪芰θQ于空氣與器件之間的溫差以及空氣的壓力。其他解決方案包括液體冷卻，用液體（一般是水）取代空氣，可實現更高的散熱效率?？諝饣蛄黧w吸熱的能力由圖 4 給出的熱吸收等式決定。設計人員常常使用的最終方法是熱電冷卻，即借助珀爾帖效應 （Peltier effect）（通過在連接到半導體樣品的兩個電極間施加電壓來形成溫差）來冷卻冷卻板的一側，同時加熱另一側。雖然這一現象有助于把熱量從待冷卻的器件上帶走，但珀爾帖冷卻有存在另一大不利因素：它要求大量的外部功耗。

　　在我們的案例中，氣流不是解決方案，因為機箱中的空氣數量有限，空氣溫度會迅速達到均衡。水冷也不可能，因為水源和工具之間距離很長。因此對我們而言，珀爾帖效應是唯一的冷卻解決方案。因為環境溫度是固定的（我們不能像圖 3 的公式一樣為大量液體加熱），熱電效應冷卻器實際上會降低電子產品的溫度。令人遺憾的是，由于冷卻裝置需要大電流，而且需要用超長的導體將表面與工具相連，實際上只有有限的電流可用于冷卻，而且只能實現較小的溫差。

　　圖 1 - 工作溫度高于裝置的額定最大溫度的油井內工作高溫攝像頭設計（如左圖所示）該攝像頭的特寫見圖右。

　　圖 2 - 高溫攝像頭和高溫處理板均配備賽靈思 Spartan-6 FPGA。

　　此外，由于我們的裝置是一個攝像頭，畫質會隨溫度升高急劇下降。因此我們必須優化我們的冷卻策略，盡量為圖像傳感器降低溫度，而不是 FPGA、存儲器、LED 驅動器或電源電路降低溫度。

　　由于珀爾帖效應只能選擇用于冷卻圖像傳感器，用于冷卻 FPGA 幾乎沒有可能，所以我們唯一的選擇是降低 FPGA 內的峰值溫度。