intel AN 769 FPGA afstandstemperatuursensordiode

Inleiding

In moderne elektroniese toepassings, veral toepassings wat kritieke temperatuurbeheer vereis, is temperatuurmeting op die skyfie van kardinale belang.

Hoëwerkverrigtingstelsels maak staat op akkurate temperatuurmetings vir binne- en buite-omgewings.

• Optimaliseer prestasie
• Verseker betroubare werking
• Voorkom skade aan komponente

Die Intel® FPGA-temperatuurmoniteringstelsel laat jou toe om derdeparty-skyfies te gebruik om die aansluitingstemperatuur (TJ) te monitor. Hierdie eksterne temperatuurmoniteringstelsel werk selfs terwyl die Intel FPGA afgeskakel is of nie gekonfigureer is nie. Daar is egter verskeie dinge wat jy in ag moet neem wanneer jy die koppelvlak tussen die eksterne skyfie en die Intel FPGA afstandtemperatuurwaarnemingsdiodes (TSD's) ontwerp.
Wanneer jy 'n temperatuurwaarnemingskyfie kies, sal jy tipies kyk na die temperatuurakkuraatheid wat jy wil bereik. Met die nuutste prosestegnologie en 'n ander afgeleë TSD-ontwerp moet jy egter ook die temperatuurwaarnemingskyfie se ingeboude kenmerke oorweeg om aan jou ontwerpakkuraatheidsvereistes te voldoen.

Deur die werking van die Intel FPGA-afstandtemperatuurmetingstelsel te verstaan, kan jy:

• Ontdek algemene probleme met toepassings vir temperatuurwaarneming.
• Kies die mees geskikte temperatuurwaarnemingskyfie wat aan jou toepassingsbehoeftes, koste en ontwerptyd voldoen.

Intel beveel sterk aan dat jy die temperatuur aan die matrys meet met behulp van plaaslike TSD's, wat Intel bekragtig het. Intel kan nie die akkuraatheid van eksterne temperatuursensors onder verskeie stelseltoestande bevestig nie. As jy die afgeleë TSD's met eksterne temperatuursensors wil gebruik, volg die riglyne in hierdie dokument en bevestig die akkuraatheid van jou temperatuurmetingsopstelling.

Hierdie toepassingsnota is van toepassing op afgeleë TSD-implementering vir die Intel Stratix® 10 FPGA-toestelfamilie.

Implementering verbyview

Die eksterne temperatuurwaarnemingskyfie koppel aan die Intel FPGA-afstandbeheer-TSD. Die afgeleë TSD is 'n PNP- of NPN-diode-gekoppelde transistor.

• Figuur 1. Verbinding tussen temperatuursensorskyfie en Intel FPGA Remote TSD (NPN Diode)
• Figuur 2. Verbinding tussen temperatuursensorskyfie en Intel FPGA Remote TSD (PNP Diode)

Die volgende vergelyking vorm die temperatuur van 'n transistor in verhouding tot die basis-emittor voltage (VBE).

• Vergelyking 1. Verwantskap tussen temperatuur van transistor en basis-emitter Voltage (VBE)Waar:
  • T—Temperatuur in Kelvin
  • q—die elektronlading (1.60 × 10−19 C)
  • VBE—basis-emittor voltage
  • k—Boltzmann konstante (1.38 × 10−23 J∙K−1)
  • IC—die versamelaarstroom
  • IS—die omgekeerde versadigingstroom
  • η—die idealiteitsfaktor van die afgeleë diode
    As jy Vergelyking 1 herrangskik, kry jy die volgende vergelyking.

• Vergelyking 2. VBE
  Tipies dwing die temperatuurwaarnemingskyfie twee opeenvolgende goed-beheerde strome, I1 en I2 op die P- en N-penne. Die skyfie meet en bereken dan die verandering van die VBE van die diode. Die delta in VBE is direk eweredig aan die temperatuur, soos getoon in Vergelyking 3.
• Vergelyking 3. Delta in VBEWaar:
  • n—gedwonge stroomverhouding
  • VBE1—basis-emittor voltage by I1
  • VBE2—basis-emittor voltage by I2

Implementeringsoorweging

Deur die temperatuurwaarnemingskyfie met die toepaslike kenmerke te kies, kan u die skyfie optimeer om metingsakkuraatheid te bereik. Oorweeg die onderwerpe in die verwante inligting wanneer jy die skyfie kies.

Verwante inligting

• Idealiteitsfaktor (η-Faktor) Mispassing
• Reeksweerstandsfout
• Temperatuur Diode Beta Variasie
• Differensiële insetkapasitor
• Verrekeningsvergoeding

Idealiteitsfaktor (η-Faktor) Mispassing

Wanneer jy aansluitingstemperatuurmeting uitvoer deur 'n eksterne temperatuurdiode te gebruik, hang die akkuraatheid van die temperatuurmeting af van die kenmerke van die eksterne diode. Die idealiteitsfaktor is 'n parameter van 'n afgeleë diode wat die afwyking van die diode van sy ideale gedrag meet.
U kan gewoonlik die idealiteitsfaktor in die datablad van die diodevervaardiger vind. Verskillende eksterne temperatuurdiodes gee jou verskillende waardes as gevolg van die verskillende ontwerp- en prosestegnologieë wat hulle gebruik.
Idealiteitswanverhouding kan 'n beduidende temperatuurmetingsfout veroorsaak. Om die beduidende fout te vermy, beveel Intel aan dat jy 'n temperatuurwaarnemingskyfie kies wat 'n konfigureerbare idealiteitsfaktor bevat. U kan die idealiteitsfaktorwaarde in die skyfie verander om die wanaanpassingsfout uit te skakel.

• Example 1. Idealiteitsfaktor Bydrae tot temperatuurmetingsfout

Hierdie example wys hoe idealiteitsfaktor bydra tot die temperatuurmetingsfout. In die example, die berekening toon die idealiteitswanverhouding wat 'n beduidende temperatuurmetingsfout veroorsaak.

• Vergelyking 4. Idealiteitsfaktor-verwantskap met gemete temperatuur

Waar:

• ηTSC—idealiteitsfaktor van die temperatuurwaarnemingskyfie
• TTSC—temperatuur gelees deur die temperatuurwaarnemingskyfie
• ηRTD—idealiteitsfaktor van die afgeleë temperatuurdiode
• TRTD—temperatuur by die afgeleë temperatuurdiode

Die volgende stappe skat temperatuurmeting (TTSC) deur die temperatuurwaarnemingskyfie, gegewe die volgende waardes:

• Idealiteitsfaktor van die temperatuursensor (ηTSC) is 1.005
• Idealiteitsfaktor van die afgeleë temperatuurdiode (ηRTD) is 1.03
• Werklike temperatuur by die afstandtemperatuurdiode (TRTD) is 80°C

 

1. Skakel die TRTD van 80°C om na Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
2. Pas Vergelyking 4 toe. Die berekende temperatuur deur die temperatuurwaarnemingskyfie is 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
3. Skakel die berekende waarde om na Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Die temperatuurfout (TE) wat veroorsaak word deur die idealiteitswanverhouding:
   TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Reeksweerstandsfout

Die reeksweerstand op die P- en N-penne dra by tot temperatuurmetingsfout.

Die reeksweerstand kan wees van:

• Die interne weerstand van die P- en N-pen van die temperatuurdiode.
• Die bordspoorweerstand, bvample, 'n lang bordspoor.

Die reeksweerstand veroorsaak addisionele voltage om by die temperatuurwaarnemingspad te daal en lei tot meetfout, wat die akkuraatheid van die temperatuurmeting beïnvloed. Tipies gebeur hierdie situasie wanneer jy temperatuurmeting met 'n 2-stroom temperatuurwaarnemingskyfie uitvoer.

Figuur 3. Interne en aan boord reeksweerstandOm die temperatuurfout te verduidelik wat ontstaan ​​wanneer die reeksweerstand toeneem, verskaf een of ander temperatuurwaarnemingskyfievervaardiger die data vir die afstandsdiodetemperatuurfout teenoor die weerstand.
U kan egter die reeksweerstandsfout uitskakel. Sommige temperatuurwaarnemingskyfies het 'n ingeboude reeksweerstandkansellasie-funksie. Die reeksweerstandkansellasiekenmerk kan die reeksweerstand uitskakel van 'n reeks van 'n paar honderd Ω tot 'n reeks wat 'n paar duisend Ω oorskry.
Intel beveel aan dat jy die reeksweerstandkansellasiekenmerk oorweeg wanneer jy die temperatuurwaarnemingskyfie kies. Die kenmerk skakel outomaties die temperatuurfout uit wat veroorsaak word deur die weerstand van die roetering na die afgeleë transistor.

Temperatuur Diode Beta Variasie

Soos prosestegnologiegeometrie kleiner word, neem die Beta(β)-waarde van die PNP- of NPN-substraat af.
Aangesien die temperatuurdiode Beta-waarde laer word, veral as die temperatuurdiodekollektor aan die grond vasgemaak is, beïnvloed die Beta-waarde die stroomverhouding op Vergelyking 3 op bladsy 5. Daarom is die handhawing van 'n akkurate stroomverhouding van kardinale belang.
Sommige temperatuurwaarnemingskyfies het ingeboude Beta-vergoedingsfunksie. Die Beta-variasie van die stroombaan neem die basisstroom aan en pas die emittorstroom aan om vir die variasie te kompenseer. Die Beta-vergoeding handhaaf die versamelaarstroomverhouding.

Figuur 4. Intel Stratix 10 Core Stof Temperatuur Diode met Maxim Geïntegreerde* se MAX31730 Beta Compensation Geaktiveer
Hierdie figuur wys dat die metingsakkuraatheid bereik word met Beta-vergoeding geaktiveer. Die metings is geneem tydens FPGA-afskakeltoestand - die gestelde en gemete temperature sal na verwagting naby wees.

	0˚C	50˚C	100˚C
Beta-vergoeding af	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Beta-vergoeding aan	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Differensiële insetkapasitor

Die kapasitor (CF) op P- en N-penne dien soos 'n laagdeurlaatfilter wat help om die hoëfrekwensiegeraas te filter en die elektromagnetiese interferensie (EMI) te verbeter.
Jy moet versigtig wees tydens kapasitorkeuse omdat die groot kapasitansie die stygtyd van die geskakelde stroombron kan beïnvloed en 'n groot meetfout kan veroorsaak. Tipies verskaf die temperatuurwaarnemingskyfievervaardiger die aanbevole kapasitansiewaarde in hul datablad. Verwys na die kapasitorvervaardiger se ontwerpriglyne of aanbeveling voordat jy die kapasitansiewaarde besluit.

Figuur 5. Differensiële insetkapasitansie

Verrekeningsvergoeding

Veelvuldige faktore kan gelyktydig bydra tot die metingsfout. Soms sal die toepassing van 'n enkele vergoedingsmetode dalk nie die probleem ten volle oplos nie. Nog 'n metode om die metingsfout op te los, is om verrekenvergoeding toe te pas.

Let wel:  Intel beveel aan dat jy 'n temperatuurwaarnemingskyfie met ingeboude offsetkompensasie gebruik. As die temperatuurwaarnemingskyfie nie die kenmerk ondersteun nie, kan jy verrekenvergoeding toepas tydens naverwerking deur persoonlike logika of sagteware.
Offsetkompensasie verander die offsetregisterwaarde vanaf die temperatuurwaarnemingskyfie om die berekende fout uit te skakel. Om hierdie kenmerk te gebruik, moet jy 'n temperatuur pro uitvoerfile bestudeer en identifiseer die verrekenwaarde wat toegepas moet word.

Jy moet temperatuurmetings oor die verlangde temperatuurreeks versamel met die verstekinstellings van die temperatuurwaarnemingskyfie. Voer daarna data-analise uit soos in die volgende bvample om die afsetwaarde te bepaal wat toegepas moet word. Intel beveel aan dat jy verskeie temperatuurwaarnemingskyfies met verskeie afstandtemperatuurdiodes toets om te verseker dat jy die deel-tot-deel-variasies dek. Gebruik dan die metingsgemiddelde in die ontleding om die instellings wat toegepas moet word, te bepaal.
U kan die temperatuurpunte kies om te toets gebaseer op u stelsel se werkingstoestand.

Vergelyking 5. Offset Faktor

Example 2. Toepassing van VerrekeningsvergoedingIn hierdie example, 'n stel temperatuurmetings is versamel met drie temperatuurpunte. Pas Vergelyking 5 toe op die waardes en bereken die offsetfaktor.

Tabel 1. Data wat ingesamel is voordat verrekeningsvergoeding toegepas word

Stel temperatuur in		Gemeet temperatuur
100°C	373.15 K	111.06°C	384.21 K
50°C	323.15 K	61.38°C	334.53 K
0°C	273.15 K	11.31°C	284.46 K

Gebruik die middelpunt van die temperatuurreeks om die offset temperatuur te bereken. In hierdie example, die middelpunt is die 50°C vasgestelde temperatuur.
Verander temperatuur

• = Offset faktor × ( Gemete temperatuur - Stel temperatuur )
• = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
• = 11.35

Pas die afwykende temperatuurwaarde en ander kompensasiefaktore, indien nodig, in die temperatuurwaarnemingskyfie toe en neem die meting weer.

Tabel 2. Data wat ingesamel is nadat verrekeningsvergoeding toegepas is

Stel temperatuur in	Gemeet temperatuur	Fout
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Verwante inligting
Evaluering Resultate
Verskaf 'n review van die evalueringsresultate van verrekenvergoedingsmetode met Maxim Integrated* en Texas Instruments* temperatuurwaarnemingskyfies.

Evaluering Resultate

In die evaluasie is die Maxim Integrated* se MAX31730 en Texas Instruments* se TMP468 evaluasiestelle gewysig om met die afstandtemperatuurdiodes van verskeie blokke in die Intel FPGA te koppel.

Tabel 3. Geëvalueerde blokke en bordmodelle

Blok	Temperatuurwaarnemingskyfie-evalueringsbord
	Texas Instruments se TMP468	Maxim Integrate d's MAX31730
Intel Stratix 10 kernstof	Ja	Ja
H-teël of L-teël	Ja	Ja
E-teël	Ja	Ja
P-teël	Ja	Ja

Die volgende figure toon die opstelling van die Intel FPGA-bord met die Maxim Integrated en Texas Instruments-evalueringsborde.

Figuur 6. Opstelling met Maxim Integrate d's MAX31730 Evalueringsbord

Figuur 7. Stel op met die Texas Instruments se TMP468-evalueringsraad

• 'n Termiese kragbron - of alternatiewelik kan jy 'n temperatuurkamer gebruik - het die FPGA bedek en verseël en die temperatuur volgens die vasgestelde temperatuurpunt gedwing.
• Tydens hierdie toets het die FPGA in onaangedrewe toestand gebly om te verhoed dat dit hitte genereer.
• Die weektyd vir elke temperatuurtoetspunt was 30 minute.
• Die instellings op die evalueringsstelle het die standaardinstellings van die vervaardigers gebruik.
• Na die opstelling is stappe in Offset Compensation op bladsy 10 gevolg vir data-insameling en ontleding.

Evaluering met Maxim Integrated se MAX31730 Temperatuurwaarnemingskyfie-evalueringsbord

Hierdie evaluering is uitgevoer met opstelstappe soos beskryf in Offset Compensation.
Die data is ingesamel voor en na die toepassing van die verrekeningsvergoeding. Verskillende offset-temperatuur is op verskillende Intel FPGA-blokke toegepas omdat 'n enkele offsetwaarde nie op alle blokke toegepas kan word nie. Die volgende figure toon die resultate.

Figuur 8. Data vir Intel Stratix 10 Core Fabric

Figuur 9. Data vir Intel FPGA H-Teël en L-Teël

Figuur 10. Data vir Intel FPGA E-Teël

Figuur 11. Data vir Intel FPGA P-Teël

Evaluering met Texas Instruments se TMP468 Temperatuurwaarneming Chip Evalueringsbord

Hierdie evaluering is uitgevoer met opstelstappe soos beskryf in Offset Compensation.
Die data is ingesamel voor en na die toepassing van die verrekeningsvergoeding. Verskillende offset-temperatuur is op verskillende Intel FPGA-blokke toegepas omdat 'n enkele offsetwaarde nie op alle blokke toegepas kan word nie. Die volgende figure toon die resultate.

Figuur 12. Data vir Intel Stratix 10 Core Fabric

Figuur 13. Data vir Intel FPGA H-Teël en L-Teël

Figuur 14. Data vir Intel FPGA E-Teël

Figuur 15. Data vir Intel FPGA P-Teël

Gevolgtrekking

Daar is baie verskillende vervaardigers van temperatuurwaarnemingskyfies. Tydens komponentkeuse beveel Intel sterk aan dat jy die temperatuurwaarnemingskyfie met die volgende oorwegings kies.

1. Kies 'n skyfie met konfigureerbare idealiteitsfaktorkenmerk.
2. Kies 'n skyfie wat reeksweerstandkansellasie het.
3. Kies 'n skyfie wat Beta-vergoeding ondersteun.
4. Kies kapasitors wat ooreenstem met die chip vervaardiger se aanbevelings.
5. Dien enige toepaslike kompensasie toe nadat 'n temperatuur pro uitgevoer isfile studeer.

Gebaseer op die implementeringsoorweging en evalueringsresultate, moet jy die temperatuurwaarnemingskyfie in jou ontwerp optimaliseer om metingsakkuraatheid te verkry.

Dokumenthersieningsgeskiedenis vir AN 769: Intel FPGA Remote Temperature Sensing Diode Implementation Guide

Dokument weergawe	Veranderinge
2022.04.06	Het die temperatuurberekening van die temperatuurwaarnemingskyfie in die onderwerp oor idealiteitsfaktor-wanaanpassing reggestel. Het die afsettemperatuurberekening reggestel, bvample in die onderwerp oor verrekeningsvergoeding.
2021.02.09	Aanvanklike vrystelling.

Intel Corporation. Alle regte voorbehou. Intel, die Intel-logo en ander Intel-merke is handelsmerke van Intel Corporation of sy filiale. Intel waarborg prestasie van sy FPGA- en halfgeleierprodukte volgens huidige spesifikasies in ooreenstemming met Intel se standaardwaarborg, maar behou die reg voor om enige tyd sonder kennisgewing veranderinge aan enige produkte en dienste aan te bring. Intel aanvaar geen verantwoordelikheid of aanspreeklikheid wat voortspruit uit die toepassing of gebruik van enige inligting, produk of diens wat hierin beskryf word nie, behalwe soos uitdruklik skriftelik deur Intel ooreengekom. Intel-kliënte word aangeraai om die nuutste weergawe van toestelspesifikasies te bekom voordat hulle op enige gepubliseerde inligting staatmaak en voordat bestellings vir produkte of dienste geplaas word.
*Ander name en handelsmerke kan as die eiendom van ander geëis word.

ISO
9001:2015
Geregistreer

Dokumente / Hulpbronne

intel AN 769 FPGA afstandstemperatuursensordiode [pdf] Gebruikersgids AN 769 FPGA afstandstemperatuursensordiode, AN 769, FPGA afstandtemperatuursensordiode, afstandstemperatuursensordiode, temperatuursensordiode, waarneemdiode

Verwysings

• Gebruikershandleiding