實例講解系統(tǒng)散熱解決方案

在系統(tǒng)設計的初期我們不僅要考慮要實現(xiàn)的功能，性能，可操作性等方面，還有一方面便是實地的使用環(huán)境，如高溫，高濕等惡劣的條件給系統(tǒng)設計提出了新的要求。今天就以油井下攝像頭探測系統(tǒng)應用給大家一些思路上的啟發(fā)。

這個系統(tǒng)是一個用于井下檢查雙彩色攝像頭應用，需要的功能有嵌入式圖像處理，色彩重構，通信以及高動態(tài)（HDR）防抖圖像采集能力。油井下要求系統(tǒng)至少在125攝氏度的環(huán)境溫度下還要能夠正常工作，綜合以上方面我們采用Xilinx Spartan-6 XA6SLX45 FPGA器件，因為它的工作溫度范圍比較廣，魯棒性，封裝尺寸小，內存和LUT資源都比較豐富。（圖1 油井下環(huán)境示意圖）

很多系統(tǒng)設計中都需要考慮散熱，大體可分類兩類：被動散熱和主動散熱。被動散熱一般是增加與空氣接觸的面積，主動散熱一般是采取措施主動降低溫度，如增加風扇，水冷等解決方案。通常在電子系統(tǒng)上一般都采用熱電冷卻方法，如珀爾帖效應：利用電流通過兩種適宜物質的結點處而產(chǎn)生溫度降低的現(xiàn)象。盡管這個方案能夠幫助降低器件的溫度，但是它還有一個缺點就是需要大量的外部電源能量供給。

對于我們這個案例空氣制冷不適用，因為大量的空氣一般是被封閉起來的，空氣溫度很快就會上升，水冷方案更不適合，因為冷水循環(huán)輸送是個很大的問題，因此綜合以上考慮我們目前只能采用珀爾帖效應進行散熱設計。但是還需要我們提供較大的電流以及導體材料，實際情況是我們只能提供有限的額外電流，因此只能起到小幅度降溫的效果。

而且我們的器件還包括攝像頭，圖像采集質量會隨著溫度升高而呈現(xiàn)指數(shù)級降低，因此我們還必須優(yōu)化我們的散熱措施，重點放在圖像傳感器上而不是FPGA，內存以及電源電路部分，因為采用珀爾帖效應對FPGA進行散熱幾乎是不可能的，我們唯一的辦法就是降低FPGA內部的峰值溫度，同時我們也采用小尺寸封裝的FPGA器件，因為越大的器件就會有更多的靜態(tài)功率消耗，就會產(chǎn)生更多的熱量。

我們還優(yōu)化我們的FPGA代碼，使用盡量少的邏輯資源（LUT）。同時我們還優(yōu)化時鐘頻率，動態(tài)的功率消耗與始終頻率相關。我們使用盡量少的I/O管腳，將不用的I/O管腳作為虛擬地處理，縮短電流流通距離，減少焦耳效應的影響，這樣也能降低FPGA內部I/O區(qū)塊的功率消耗。
在電路板（PCB）的設計上，我們可以使用多層地，增加熱傳導和熱循環(huán)，這種設計同樣會增加電路板（PCB）的可靠性。最重要的是優(yōu)化FPGA代碼設計，使得FPGA工作在一個合適的時鐘頻率上，既能滿足性能的要求又不會產(chǎn)生過多的功率消耗。

圖2 采用Xilinx Spartan-6 FPGA設計的圖像采集模塊

通過以上各方面的散熱考慮，如上圖我們最終實現(xiàn)的板卡能夠在125攝氏度的環(huán)境溫度下正常工作，具有的功能包括SDRAM管理，總線通信以及圖像采集處理，當然能否滿足系統(tǒng)要求還需要進行實地測試和老化測試等，只有滿足這些才能算是一個合格的系統(tǒng)設計。

綜上所述系統(tǒng)散熱解決方案還是有很多方面可以作為切入點的，重要的是結合系統(tǒng)的實際應用環(huán)境綜合選擇合適的方法。