إنتل AN 769 FPGA صمام ثنائي لاستشعار درجة الحرارة عن بعد

مقدمة

في التطبيقات الإلكترونية الحديثة، وخاصة التطبيقات التي تتطلب التحكم في درجة الحرارة الحرجة، يعد قياس درجة الحرارة على الرقاقة أمرًا بالغ الأهمية.

تعتمد الأنظمة عالية الأداء على قياسات دقيقة لدرجة الحرارة للبيئات الداخلية والخارجية.

• تحسين الأداء
• ضمان عملية موثوقة
• منع تلف المكونات

يتيح لك نظام مراقبة درجة الحرارة Intel® FPGA استخدام شرائح خارجية لمراقبة درجة حرارة الوصلة (TJ). يعمل نظام مراقبة درجة الحرارة الخارجية هذا حتى أثناء إيقاف تشغيل Intel FPGA أو عدم تكوينه. ومع ذلك، هناك العديد من الأشياء التي يجب عليك مراعاتها عند تصميم الواجهة بين الشريحة الخارجية وثنائيات استشعار درجة الحرارة عن بعد (TSD) من Intel FPGA.
عند تحديد شريحة استشعار درجة الحرارة، فإنك عادةً ما تنظر إلى دقة درجة الحرارة التي تريد تحقيقها. ومع ذلك، مع أحدث تقنيات المعالجة وتصميم TSD البعيد المختلف، يجب عليك أيضًا مراعاة الميزات المدمجة في شريحة استشعار درجة الحرارة لتلبية متطلبات دقة التصميم الخاصة بك.

من خلال فهم طريقة عمل نظام قياس درجة الحرارة عن بعد Intel FPGA، يمكنك:

• اكتشف المشكلات الشائعة في تطبيقات استشعار درجة الحرارة.
• حدد شريحة استشعار درجة الحرارة الأكثر ملاءمة التي تلبي احتياجات التطبيق الخاص بك والتكلفة ووقت التصميم.

توصي Intel بشدة بقياس درجة الحرارة على القالب باستخدام TSDs المحلية، والتي تم التحقق من صحتها من Intel. لا تستطيع شركة Intel التحقق من دقة أجهزة استشعار درجة الحرارة الخارجية في ظل ظروف النظام المختلفة. إذا كنت تريد استخدام أجهزة TSD عن بعد مع أجهزة استشعار درجة الحرارة الخارجية، فاتبع الإرشادات الواردة في هذا المستند وتحقق من دقة إعداد قياس درجة الحرارة لديك.

تنطبق ملاحظة التطبيق هذه على تنفيذ TSD عن بعد لعائلة أجهزة Intel Stratix® 10 FPGA.

انتهى التنفيذview

تتصل شريحة استشعار درجة الحرارة الخارجية بجهاز التحكم عن بعد Intel FPGA TSD. جهاز TSD البعيد هو ترانزستور متصل بالصمام الثنائي PNP أو NPN.

• الشكل 1. الاتصال بين شريحة استشعار درجة الحرارة وجهاز التحكم عن بعد Intel FPGA TSD (NPN Diode)
• الشكل 2. الاتصال بين شريحة استشعار درجة الحرارة وجهاز التحكم عن بعد Intel FPGA TSD (PNP Diode)

المعادلة التالية تشكل درجة حرارة الترانزستور بالنسبة لحجم الباعث الأساسيtagه (VBE).

• المعادلة 1. العلاقة بين درجة حرارة الترانزستور وقاعدة الباعث المجلدtagه (VBE)أين:
  • T - درجة الحرارة بالكلفن
  • ف—شحنة الإلكترون (1.60 × 10−19 درجة مئوية)
  • VBE—مجلد الباعث الأساسيtage
  • ك—ثابت بولتزمان (1.38 × 10−23 J∙K−1)
  • IC - تيار المجمع
  • IS - تيار التشبع العكسي
  • η—العامل المثالي للصمام الثنائي البعيد
    وبإعادة ترتيب المعادلة 1، تحصل على المعادلة التالية.

• المعادلة 2.VBE
  عادةً، تقوم شريحة استشعار درجة الحرارة بإجبار تيارين متتاليين يتم التحكم فيهما جيدًا، I1 وI2 على الأطراف P وN. تقوم الشريحة بعد ذلك بقياس ومتوسط ​​التغير في VBE للصمام الثنائي. الدلتا في VBE تتناسب طرديا مع درجة الحرارة، كما هو مبين في المعادلة 3.
• المعادلة 3. دلتا في VBEأين:
  • ن - نسبة التيار القسري
  • VBE1—مجلد الباعث الأساسيtagه في I1
  • VBE2—مجلد الباعث الأساسيtagه في I2

اعتبارات التنفيذ

يتيح لك اختيار شريحة استشعار درجة الحرارة ذات الميزات المناسبة تحسين الشريحة لتحقيق دقة القياس. ضع في اعتبارك الموضوعات الموجودة في المعلومات ذات الصلة عند تحديد الشريحة.

معلومات ذات صلة

• عدم تطابق عامل المثالية (η-Factor).
• خطأ في مقاومة السلسلة
• تباين درجة الحرارة ديود بيتا
• مكثف الإدخال التفاضلي
• تعويض الأوفست

عدم تطابق عامل المثالية (η-Factor).

عند إجراء قياس درجة حرارة الوصلة باستخدام صمام ثنائي لدرجة الحرارة الخارجية، تعتمد دقة قياس درجة الحرارة على خصائص الصمام الثنائي الخارجي. عامل المثالية هو معلمة للديود البعيد الذي يقيس انحراف الصمام الثنائي عن سلوكه المثالي.
يمكنك عادة العثور على عامل المثالية في ورقة البيانات من الشركة المصنعة للصمام الثنائي. تمنحك ثنائيات درجة الحرارة الخارجية المختلفة قيمًا مختلفة نظرًا لاختلاف تقنيات التصميم والعمليات التي تستخدمها.
قد يؤدي عدم التطابق المثالي إلى حدوث خطأ كبير في قياس درجة الحرارة. لتجنب هذا الخطأ الكبير، توصي Intel بتحديد شريحة استشعار لدرجة الحرارة تتميز بعامل مثالي قابل للتكوين. يمكنك تغيير قيمة عامل المثالية في الشريحة لإزالة خطأ عدم التطابق.

• Exampليه 1. مساهمة عامل المثالية في خطأ قياس درجة الحرارة

هذا السابقampيوضح كيف يساهم عامل المثالية في خطأ قياس درجة الحرارة. في السابقample، يُظهر الحساب عدم التطابق المثالي مما يتسبب في حدوث خطأ كبير في قياس درجة الحرارة.

• المعادلة 4. علاقة عامل المثالية بدرجة الحرارة المقاسة

أين:

• ηTSC - العامل المثالي لشريحة استشعار درجة الحرارة
• TTSC - درجة الحرارة التي تقرأها شريحة استشعار درجة الحرارة
• ηRTD — عامل المثالية لصمام ثنائي درجة الحرارة عن بعد
• TRTD - درجة الحرارة عند الصمام الثنائي لدرجة الحرارة عن بعد

تقوم الخطوات التالية بتقدير قياس درجة الحرارة (TTSC) بواسطة شريحة استشعار درجة الحرارة، في ضوء القيم التالية:

• عامل المثالية لمستشعر درجة الحرارة (ηTSC) هو 1.005
• عامل المثالية لصمام ثنائي درجة الحرارة عن بعد (ηRTD) هو 1.03
• درجة الحرارة الفعلية عند الصمام الثنائي لدرجة الحرارة عن بعد (TRTD) هي 80 درجة مئوية

 

1. تحويل TRTD من 80 درجة مئوية إلى كلفن: 80 + 273.15 = 353.15 كلفن.
2. قم بتطبيق المعادلة 4. درجة الحرارة المحسوبة بواسطة شريحة استشعار درجة الحرارة هي 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
3. تحويل القيمة المحسوبة إلى مئوية: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 درجة مئوية خطأ درجة الحرارة (TE) الناجم عن عدم التطابق المثالي:
   TE = 71.43 درجة مئوية – 80.0 درجة مئوية = –8.57 درجة مئوية

خطأ في مقاومة السلسلة

تساهم المقاومة المتسلسلة على الأطراف P وN في حدوث خطأ في قياس درجة الحرارة.

يمكن أن تكون المقاومة المتسلسلة من:

• المقاومة الداخلية لدبوس P و N لصمام ثنائي درجة الحرارة.
• مقاومة تتبع اللوحة، على سبيل المثالampلو، أثر لوحة طويلة.

تسبب مقاومة السلسلة حجمًا إضافيًاtage للانخفاض في مسار استشعار درجة الحرارة وينتج عنه خطأ في القياس، مما يؤثر على دقة قياس درجة الحرارة. عادةً ما يحدث هذا الموقف عند إجراء قياس درجة الحرارة باستخدام شريحة استشعار درجة الحرارة ذات تيارين.

الشكل 3. مقاومة السلسلة الداخلية وعلى متن الطائرةلشرح خطأ درجة الحرارة الذي يحدث عندما تزيد مقاومة السلسلة، توفر بعض الشركات المصنعة لرقاقة استشعار درجة الحرارة البيانات الخاصة بخطأ درجة حرارة الصمام الثنائي عن بعد مقابل المقاومة.
ومع ذلك، يمكنك التخلص من خطأ المقاومة المتسلسلة. تحتوي بعض شرائح استشعار درجة الحرارة على ميزة إلغاء المقاومة المتسلسلة. يمكن لميزة إلغاء المقاومة المتسلسلة إزالة المقاومة المتسلسلة من نطاق بضع مئات من أوم إلى نطاق يتجاوز بضعة آلاف أوم.
توصي Intel بمراعاة ميزة إلغاء مقاومة السلسلة عند تحديد شريحة استشعار درجة الحرارة. تقوم الميزة تلقائيًا بإزالة خطأ درجة الحرارة الناتج عن مقاومة التوجيه للترانزستور البعيد.

تباين درجة الحرارة ديود بيتا

مع صغر حجم هندسة تكنولوجيا العملية، تنخفض قيمة Beta(β) للركيزة PNP أو NPN.
عندما تنخفض قيمة بيتا لثنائي درجة الحرارة، خاصة إذا كان مجمع صمام ثنائي درجة الحرارة مرتبطًا بالأرض، فإن قيمة بيتا تؤثر على النسبة الحالية في المعادلة 3 في الصفحة 5. لذلك، يعد الحفاظ على نسبة تيار دقيقة أمرًا بالغ الأهمية.
تحتوي بعض شرائح استشعار درجة الحرارة على ميزة تعويض بيتا المضمنة. يستشعر تباين بيتا للدوائر التيار الأساسي ويضبط تيار الباعث للتعويض عن التباين. يحافظ تعويض بيتا على نسبة تيار المجمع.

الشكل 4. الصمام الثنائي لدرجة حرارة النسيج Intel Stratix 10 Core مع تمكين تعويض MAX31730 Beta من Maxim Integrated*
يوضح هذا الشكل أن دقة القياس تتحقق مع تمكين تعويض بيتا. تم إجراء القياسات أثناء حالة انقطاع التيار الكهربائي عن FPGA، ومن المتوقع أن تكون درجات الحرارة المحددة والمقاسة قريبة.

	0˚C	50˚C	100˚C
تعويض بيتا معطل	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
تعويض بيتا قيد التشغيل	-0.6875 درجة مئوية	49.4375˚C	101.875˚C

مكثف الإدخال التفاضلي

يعمل المكثف (CF) الموجود على أطراف P وN كمرشح تمرير منخفض يساعد على تصفية الضوضاء عالية التردد وتحسين التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).
يجب أن تكون حذرًا أثناء اختيار المكثف لأن السعة الكبيرة يمكن أن تؤثر على وقت صعود مصدر التيار المحول وتسبب خطأً كبيرًا في القياس. عادة، توفر الشركة المصنعة لرقاقة استشعار درجة الحرارة قيمة السعة الموصى بها في ورقة البيانات الخاصة بها. ارجع إلى إرشادات أو توصيات تصميم الشركة المصنعة للمكثف قبل أن تقرر قيمة السعة.

الشكل 5. سعة الإدخال التفاضلية

تعويض الأوفست

يمكن أن تساهم عوامل متعددة في وقت واحد في حدوث خطأ القياس. في بعض الأحيان، قد لا يؤدي تطبيق طريقة تعويض واحدة إلى حل المشكلة بشكل كامل. هناك طريقة أخرى لحل خطأ القياس وهي تطبيق تعويض الإزاحة.

ملحوظة:  توصي Intel باستخدام شريحة استشعار لدرجة الحرارة مع تعويض الإزاحة المدمج. إذا كانت شريحة استشعار درجة الحرارة لا تدعم الميزة، فيمكنك تطبيق تعويض الإزاحة أثناء المعالجة اللاحقة من خلال المنطق أو البرنامج المخصص.
يقوم تعويض الإزاحة بتغيير قيمة سجل الإزاحة من شريحة استشعار درجة الحرارة لإزالة الخطأ المحسوب. لاستخدام هذه الميزة، يجب عليك إجراء قياس درجة الحرارةfile دراسة وتحديد قيمة الإزاحة المراد تطبيقها.

يجب عليك جمع قياسات درجة الحرارة عبر نطاق درجة الحرارة المرغوب باستخدام الإعدادات الافتراضية لشريحة استشعار درجة الحرارة. بعد ذلك، قم بإجراء تحليل البيانات كما في المثال التاليample لتحديد قيمة الإزاحة المطلوب تطبيقها. توصي Intel باختبار العديد من شرائح استشعار درجة الحرارة باستخدام عدة صمامات ثنائية لدرجة الحرارة عن بعد للتأكد من تغطية الاختلافات من جزء إلى جزء. ثم استخدم متوسط ​​القياسات في التحليل لتحديد الإعدادات المراد تطبيقها.
يمكنك تحديد نقاط درجة الحرارة المراد اختبارها بناءً على حالة تشغيل النظام لديك.

المعادلة 5. عامل الإزاحة

Examp2. تطبيق تعويض الأوفست في هذا السابقampلو، تم جمع مجموعة من قياسات درجة الحرارة بثلاث نقاط درجة الحرارة. قم بتطبيق المعادلة 5 على القيم واحسب عامل الإزاحة.

الجدول 1. البيانات التي تم جمعها قبل تطبيق تعويض الأوفست

ضبط درجة الحرارة		درجة الحرارة المقاسة
100 درجة مئوية	373.15 ك	111.06 درجة مئوية	384.21 ك
50 درجة مئوية	323.15 ك	61.38 درجة مئوية	334.53 ك
0 درجة مئوية	273.15 ك	11.31 درجة مئوية	284.46 ك

استخدم النقطة الوسطى لنطاق درجة الحرارة لحساب درجة حرارة الإزاحة. في هذا السابقampلو، النقطة الوسطى هي درجة الحرارة المحددة 50 درجة مئوية.
درجة حرارة الإزاحة

• = عامل الإزاحة × (درجة الحرارة المقاسة−ضبط درجة الحرارة)
• = 0.9975 × (334.53 - 323.15)
• = 11.35

قم بتطبيق قيمة درجة حرارة الإزاحة وعوامل التعويض الأخرى، إذا لزم الأمر، على شريحة استشعار درجة الحرارة وأعد إجراء القياس.

الجدول 2. البيانات التي تم جمعها بعد تطبيق تعويض الأوفست

ضبط درجة الحرارة	درجة الحرارة المقاسة	خطأ
100 درجة مئوية	101.06 درجة مئوية	1.06 درجة مئوية
50 درجة مئوية	50.13 درجة مئوية	0.13 درجة مئوية
0 درجة مئوية	0.25 درجة مئوية	0.25 درجة مئوية

معلومات ذات صلة
نتائج التقييم
يوفر إعادةview نتائج تقييم طريقة تعويض الإزاحة مع شرائح استشعار درجة الحرارة Maxim Integrated* وTexas Instruments*.

نتائج التقييم

في التقييم، تم تعديل مجموعات التقييم TMP31730 الخاصة بـ Maxim Integrated*'s MAX468 وTexas Instruments* لتتوافق مع الثنائيات الحرارية البعيدة لعدة كتل في Intel FPGA.

الجدول 3. تقييم الكتل ونماذج اللوحة

حاجز	مجلس تقييم رقاقة استشعار درجة الحرارة
	تكساس إنسترومنتس TMP468	مكسيم دمج د MAX31730
نسيج إنتل ستراتيكس 10 كور	نعم	نعم
بلاط H أو بلاط L	نعم	نعم
البلاط الإلكتروني	نعم	نعم
بلاط P	نعم	نعم

توضح الأشكال التالية إعداد لوحة Intel FPGA مع لوحات تقييم Maxim Integrated وTexas Instruments.

الشكل 6. الإعداد باستخدام لوحة التقييم MAX31730 الخاصة بـ Maxim Integrate d

الشكل 7. الإعداد باستخدام مجلس تقييم TMP468 الخاص بشركة Texas Instruments

• يقوم القوة الحرارية - أو بدلاً من ذلك، يمكنك استخدام غرفة درجة الحرارة - بتغطية وإغلاق FPGA وفرض درجة الحرارة وفقًا لنقطة درجة الحرارة المحددة.
• أثناء هذا الاختبار، ظل FPGA في حالة غير مزودة بالطاقة لتجنب توليد الحرارة.
• كان وقت النقع لكل نقطة اختبار لدرجة الحرارة 30 دقيقة.
• استخدمت الإعدادات الموجودة في مجموعات التقييم الإعدادات الافتراضية من الشركات المصنعة.
• بعد الإعداد، تم اتباع الخطوات الواردة في تعويض الإزاحة في الصفحة 10 لجمع البيانات وتحليلها.

التقييم باستخدام لوحة تقييم شريحة استشعار درجة الحرارة MAX31730 من Maxim Integrated

تم إجراء هذا التقييم بخطوات الإعداد كما هو موضح في تعويض الإزاحة.
تم جمع البيانات قبل وبعد تطبيق تعويض الإزاحة. تم تطبيق درجة حرارة إزاحة مختلفة على كتل Intel FPGA مختلفة لأنه لا يمكن تطبيق قيمة إزاحة واحدة على جميع الكتل. الأرقام التالية توضح النتائج.

الشكل 8. بيانات Intel Stratix 10 Core Fabric

الشكل 9. بيانات Intel FPGA H-Tile وL-Tile

الشكل 10. بيانات Intel FPGA E-Tile

الشكل 11. بيانات Intel FPGA P-Tile

التقييم باستخدام لوحة تقييم رقاقة استشعار درجة الحرارة TMP468 من شركة Texas Instruments

تم إجراء هذا التقييم بخطوات الإعداد كما هو موضح في تعويض الإزاحة.
تم جمع البيانات قبل وبعد تطبيق تعويض الإزاحة. تم تطبيق درجة حرارة إزاحة مختلفة على كتل Intel FPGA مختلفة لأنه لا يمكن تطبيق قيمة إزاحة واحدة على جميع الكتل. الأرقام التالية توضح النتائج.

الشكل 12. بيانات Intel Stratix 10 Core Fabric

الشكل 13. بيانات Intel FPGA H-Tile وL-Tile

الشكل 14. بيانات Intel FPGA E-Tile

الشكل 15. بيانات Intel FPGA P-Tile

خاتمة

هناك العديد من الشركات المصنعة المختلفة لرقائق استشعار درجة الحرارة. أثناء اختيار المكونات، توصي Intel بشدة بتحديد شريحة استشعار درجة الحرارة مع مراعاة الاعتبارات التالية.

1. حدد شريحة ذات ميزة عامل المثالية القابلة للتكوين.
2. حدد شريحة تحتوي على إلغاء المقاومة المتسلسلة.
3. حدد شريحة تدعم تعويض بيتا.
4. حدد المكثفات التي تتوافق مع توصيات الشركة المصنعة للرقاقة.
5. تطبيق أي تعويض مناسب بعد إجراء درجة الحرارة المواليةfile يذاكر.

استنادًا إلى نتائج الاعتبارات الخاصة بالتنفيذ والتقييم، يجب عليك تحسين شريحة استشعار درجة الحرارة في تصميمك لتحقيق دقة القياس.

سجل مراجعة الوثيقة لـ AN 769: دليل تنفيذ الصمام الثنائي لاستشعار درجة الحرارة عن بعد من Intel FPGA

نسخة الوثيقة	التغييرات
2022.04.06	تم تصحيح حساب درجة حرارة شريحة استشعار درجة الحرارة في الموضوع المتعلق بعدم تطابق عامل المثالية. تصحيح حساب درجة حرارة الإزاحة على سبيل المثالampلو في الموضوع حول تعويض الأوفست.
2021.02.09	الإصدار الأولي.

شركة إنتل. كل الحقوق محفوظة. تعد Intel وشعار Intel وعلامات Intel الأخرى علامات تجارية لشركة Intel Corporation أو الشركات التابعة لها. تضمن Intel أداء منتجات FPGA وأشباه الموصلات وفقًا للمواصفات الحالية وفقًا لضمان Intel القياسي ، ولكنها تحتفظ بالحق في إجراء تغييرات على أي منتجات وخدمات في أي وقت دون إشعار. لا تتحمل Intel أي مسؤولية أو التزام ناشئ عن التطبيق أو استخدام أي معلومات أو منتج أو خدمة موصوفة هنا باستثناء ما تم الاتفاق عليه صراحةً كتابةً من قبل Intel. يُنصح عملاء Intel بالحصول على أحدث إصدار من مواصفات الجهاز قبل الاعتماد على أي معلومات منشورة وقبل تقديم طلبات المنتجات أو الخدمات.
*قد يتم المطالبة بأسماء وعلامات تجارية أخرى باعتبارها ملكًا للآخرين.

ايزو
9001:2015
مسجل

المستندات / الموارد

إنتل AN 769 FPGA صمام ثنائي لاستشعار درجة الحرارة عن بعد [بي دي اف] دليل المستخدم 769 FPGA صمام ثنائي لاستشعار درجة الحرارة عن بعد، 769، صمام ثنائي FPGA لاستشعار درجة الحرارة عن بعد، صمام ثنائي لاستشعار درجة الحرارة عن بعد، صمام ثنائي لاستشعار درجة الحرارة، صمام ثنائي للاستشعار عن بعد

مراجع

• دليل المستخدم