现场可编程逻辑门阵列(FPGA)具有应用灵活,成本低,运行速度快等技术优势,广泛应用于通信、测试测量、IC设计等领域。随着半导体工艺尺寸不断缩小,FPGA中集成了大规模的可编程逻辑资源和各种知识产权(IP)核,且芯片的应用日趋复杂,导致功耗越来越大,FPGA芯片的工作温度越来越高。高温下器件加速失效,为芯片应用可靠性带来更为严峻的挑战。因此,FPGA器件特性和应用研究日益成为人们关注的焦点。本文从FPGA的温升特性和应用特性两方面展开研究。在温升特性研究方面,分析了FPGA的瞬态温升特性,利用循环振荡器输出频率与温度的线性关系,将其作为智能温度传感器实时测量芯片温度,在可重构技术的基础上提出智能传感网络分布的优化方法;在FPGA工程应用方面,利用模块化设计方法,以FPGA为平台完成多路热阻测量时序控制系统的设计。具体内容包括以下几个方面:一、提出一种基于模糊聚类算法的智能温度传感器分配优化方法。传感器模块阵列均匀分布在FPGA上作为原始布局。从时间和空间上对测得的温度进行分析,建立智能传感网络分辨率与传感器聚类水平间的关系,针对不同应用中的FPGA温升情况实施传感网络布局的动态优化与重构。选用Altera Cyclone IV FPGA为例,当芯片内温度分布梯度范围为0°C到40°C时,在保持测量分辨率为1°C的前提下,该方法可以节约37.5%的传感器资源。二、结合FPGA功耗分析,研究了FPGA内部资源使用情况与芯片温升的关系。提出自加热模块的设计思想,利用FPGA特殊的结构及其内部丰富的逻辑资源搭建自加热模块,使芯片表面呈现不同程度的温度上升,并产生较大的温度梯度。最后将自加热模块用于模拟FPGA运行过程中的温升情况来验证温度传感器分布优化方案。三、以FPGA为核心控制芯片设计了多路热阻测量时序控制系统,利用模块化设计的思想,首先对单路测量系统进行功能模块划分,分别对底层模块进行设计优化,然后再合并到顶层模块。最后对多路测量控制系统进行汇总调试和功能验证。利用该方法主要实现了VDMOS+2路LED模拟热源的热阻测量时序控制系统和8路模块组件散热特性测量时序控制系统的设计,目前均已投入商业应用。