Дистанционен сензор за температура intel AN 769 FPGA
Въведение
В съвременните електронни приложения, особено приложения, които изискват критичен температурен контрол, измерването на температурата на чипа е от решаващо значение.
Системите с висока производителност разчитат на точни измервания на температурата за вътрешна и външна среда.
- Оптимизиране на производителността
- Осигурете надеждна работа
- Предотвратете повреда на компонентите
Системата за наблюдение на температурата Intel® FPGA ви позволява да използвате чипове на трети страни за наблюдение на температурата на свързване (TJ). Тази външна система за наблюдение на температурата работи дори когато Intel FPGA е изключен или не е конфигуриран. Има обаче няколко неща, които трябва да имате предвид, когато проектирате интерфейса между външния чип и диодите за отдалечено измерване на температурата (TSD) на Intel FPGA.
Когато изберете чип за измерване на температурата, обикновено гледате точността на температурата, която искате да постигнете. Въпреки това, с най-новата технологична технология и различен дистанционен дизайн на TSD, вие трябва също така да вземете предвид вградените функции на температурния сензорен чип, за да отговаряте на вашите изисквания за точност на дизайна.
Като разберете работата на системата за дистанционно измерване на температурата Intel FPGA, вие можете:
- Открийте често срещани проблеми с приложения за измерване на температура.
- Изберете най-подходящия температурен сензорен чип, който отговаря на нуждите на вашето приложение, цената и времето за проектиране.
Intel силно препоръчва да измервате температурата на матрицата с помощта на локални TSD, които Intel е потвърдил. Intel не може да потвърди точността на сензорите за външна температура при различни системни условия. Ако искате да използвате отдалечените TSD с външни температурни сензори, следвайте указанията в този документ и потвърдете точността на вашата настройка за измерване на температурата.
Тази бележка за приложението се отнася за отдалечено внедряване на TSD за фамилията устройства Intel Stratix® 10 FPGA.
Внедряването приключиview
Външният температурен сензорен чип се свързва към отдалечения TSD на Intel FPGA. Дистанционният TSD е PNP или NPN диодно свързан транзистор.
- Фигура 1. Връзка между сензорен чип за температура и Intel FPGA Remote TSD (NPN диод)
- Фигура 2. Връзка между сензорен чип за температура и Intel FPGA Remote TSD (PNP диод)
Следното уравнение формира температурата на транзистора по отношение на обема на база-емитерtage (VBE).
- Уравнение 1. Връзка между температурата на транзистора към базовия емитер Voltagд (VBE)
където:
- T—Температура в Келвин
- q - зарядът на електрона (1.60 × 10−19 C)
- VBE—об.база-емитерtage
- k—константа на Болцман (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC—токът на колектора
- IS—обратният ток на насищане
- η — коефициентът на идеалност на отдалечения диод
Пренареждайки Уравнение 1, получавате следното уравнение.
- Уравнение 2. VBE
Обикновено температурният чувствителен чип форсира два последователни добре контролирани тока, I1 и I2 на P и N щифтовете. След това чипът измерва и осреднява промяната на VBE на диода. Делтата във VBE е право пропорционална на температурата, както е показано в Уравнение 3. - Уравнение 3. Делта във VBE
където:
- n—коефициент на принудителен ток
- VBE1—об.база-емитерtage при I1
- VBE2—об.база-емитерtage при I2
Разглеждане на внедряването
Изборът на температурен сензорен чип с подходящите характеристики ви позволява да оптимизирате чипа, за да постигнете точност на измерването. Обърнете внимание на темите в свързаната информация, когато изберете чипа.
- Несъответствие на фактора на идеалност (η-фактор).
- Грешка в серийното съпротивление
- Бета вариация на температурния диод
- Диференциален входен кондензатор
- Офсетна компенсация
Несъответствие на фактора на идеалност (η-фактор).
Когато извършвате измерване на температурата на свързване с помощта на диод за външна температура, точността на измерването на температурата зависи от характеристиките на външния диод. Коефициентът на идеалност е параметър на отдалечен диод, който измерва отклонението на диода от идеалното му поведение.
Обикновено можете да намерите коефициента на идеалност в информационния лист от производителя на диода. Различните диоди за външна температура ви дават различни стойности поради различния дизайн и технологиите на процеса, които използват.
Несъответствието на идеалността може да причини значителна грешка при измерване на температурата. За да избегнете значителната грешка, Intel препоръчва да изберете температурен сензорен чип, който разполага с конфигурируем коефициент на идеалност. Можете да промените стойността на коефициента на идеалност в чипа, за да елиминирате грешката на несъответствието.
- Exampсамо 1. Принос на фактора на идеалност към грешката при измерване на температурата
Този бившample показва как факторът на идеалност допринася за грешката при измерване на температурата. В изхample, изчислението показва несъответствието на идеалността, причиняващо значителна грешка при измерване на температурата.
- Уравнение 4. Връзка на фактора на идеалност с измерената температура
където:
- ηTSC—коефициент на идеалност на температурния сензорен чип
- TTSC—температура, отчетена от сензорния чип за температура
- ηRTD—коефициент на идеалност на отдалечения температурен диод
- TRTD—температура на отдалечения температурен диод
Следващите стъпки оценяват измерването на температурата (TTSC) от температурния сензорен чип, като се имат предвид следните стойности:
- Коефициентът на идеалност на температурния сензор (ηTSC) е 1.005
- Коефициентът на идеалност на диода за дистанционна температура (ηRTD) е 1.03
- Действителната температура на диода за дистанционна температура (TRTD) е 80°C
- Преобразувайте TRTD от 80°C в Келвин: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- Приложете уравнение 4. Изчислената температура от температурния сензорен чип е 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
- Преобразувайте изчислената стойност в Целзий: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Температурната грешка (TE), причинена от несъответствието на идеалността:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C
Грешка в серийното съпротивление
Серийното съпротивление на щифтовете P и N допринася за грешка при измерване на температурата.
Серийното съпротивление може да бъде от:
- Вътрешното съпротивление на P и N щифта на температурния диод.
- Съпротивлението на платката, напрample, дълга следа на борда.
Серийното съпротивление причинява допълнителен обемtage да падне по пътя на измерване на температурата и да доведе до грешка в измерването, засягаща точността на измерването на температурата. Обикновено тази ситуация се случва, когато извършвате измерване на температура с 2-токов температурен сензорен чип.
Фигура 3. Вътрешно и бордово серийно съпротивление
За да обясни температурната грешка, възникнала при увеличаване на серийното съпротивление, някои производители на чипове за сензори за температура предоставят данните за температурната грешка на дистанционния диод спрямо съпротивлението.
Можете обаче да премахнете грешката на серийното съпротивление. Някои температурни сензорни чипове имат вградена функция за анулиране на серийно съпротивление. Функцията за анулиране на серийното съпротивление може да елиминира серийното съпротивление от диапазон от няколкостотин Ω до диапазон, надхвърлящ няколко хиляди Ω.
Intel препоръчва да имате предвид функцията за анулиране на серийното съпротивление, когато избирате чип за измерване на температурата. Функцията автоматично елиминира температурната грешка, причинена от съпротивлението на маршрута към отдалечения транзистор.
Бета вариация на температурния диод
Тъй като геометрията на технологията на процеса става по-малка, бета (β) стойността на PNP или NPN субстрата намалява.
Тъй като бета стойността на температурния диод става по-ниска, особено ако колекторът на температурния диод е свързан към земята, бета стойността влияе върху съотношението на тока в Уравнение 3 на страница 5. Следователно поддържането на точно съотношение на тока е от решаващо значение.
Някои температурни сензорни чипове имат вградена бета функция за компенсация. Бета вариантът на веригата усеща базовия ток и регулира емитерния ток, за да компенсира изменението. Бета компенсацията поддържа съотношението на колекторния ток.
Фигура 4. Температурен диод Intel Stratix 10 Core Fabric с активирана бета компенсация MAX31730 на Maxim Integrated*
Тази фигура показва, че точността на измерване се постига с активирана бета компенсация. Измерванията са направени по време на състояние на изключване на захранването на FPGA — очаква се зададената и измерената температура да бъдат близки.
| 0 ˚C | 50 ˚C | 100 ˚C | |
| Бета компенсация изключена | 25.0625 ˚C | 70.1875 ˚C | 116.5625 ˚C |
| Бета компенсация включена | -0.6875˚C | 49.4375 ˚C | 101.875 ˚C |
Диференциален входен кондензатор
Кондензаторът (CF) на P и N щифтове действа като нискочестотен филтър, който помага за филтриране на високочестотния шум и подобряване на електромагнитните смущения (EMI).
Трябва да внимавате при избора на кондензатор, тъй като големият капацитет може да повлияе на времето на нарастване на превключвания източник на ток и да доведе до огромна грешка при измерване. Обикновено производителят на чипове за измерване на температура предоставя препоръчителната стойност на капацитета в техния лист с данни. Обърнете се към указанията или препоръките за проектиране на производителя на кондензатора, преди да решите стойността на капацитета.
Фигура 5. Диференциален входен капацитет
Офсетна компенсация
Множество фактори могат едновременно да допринесат за грешката в измерването. Понякога прилагането на един метод на компенсация може да не разреши напълно проблема. Друг метод за отстраняване на грешката в измерването е прилагането на компенсация на отместването.
Забележка: Intel препоръчва да използвате температурен сензорен чип с вградена компенсация на отместването. Ако сензорният чип за температура не поддържа функцията, можете да приложите компенсация на изместване по време на последваща обработка чрез персонализирана логика или софтуер.
Компенсацията на отместване променя стойността на регистъра на отместването от температурния сензорен чип, за да елиминира изчислената грешка. За да използвате тази функция, трябва да извършите професионална проверка на температуратаfile проучете и идентифицирайте стойността на компенсиране, която да приложите.
Трябва да съберете температурни измервания в желания температурен диапазон с настройките по подразбиране на температурния сензорен чип. След това извършете анализ на данните, както в следния примерample за определяне на стойността на отместването, която да се приложи. Intel препоръчва да тествате няколко температурни сензорни чипа с няколко отдалечени температурни диода, за да сте сигурни, че покривате вариациите от част до част. След това използвайте средната стойност на измерванията в анализа, за да определите настройките, които да приложите.
Можете да изберете температурните точки за тестване въз основа на работното състояние на вашата система.
Уравнение 5. Фактор на компенсиране
Example 2. Прилагане на офсетна компенсация В този прample, беше събран набор от температурни измервания с три температурни точки. Приложете уравнение 5 към стойностите и изчислете коефициента на отместване.
Таблица 1. Данни, събрани преди прилагане на офсетна компенсация
| Задайте температура | Измерена температура | ||
| 100°C | 373.15 К | 111.06°C | 384.21 К |
| 50°C | 323.15 К | 61.38°C | 334.53 К |
| 0°C | 273.15 К | 11.31°C | 284.46 К |
Използвайте средната точка на температурния диапазон, за да изчислите температурата на изместване. В този бившample, средната точка е зададената температура от 50°C.
Температура на изместване
- = Коефициент на отместване × (Измерена температура − Зададена температура)
- = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
- = 11.35
Приложете стойността на температурата на изместване и други компенсационни фактори, ако е необходимо, в сензорния чип за температура и повторете измерването.
Таблица 2. Данни, събрани след прилагане на офсетна компенсация
| Задайте температура | Измерена температура | Грешка |
| 100°C | 101.06°C | 1.06°C |
| 50°C | 50.13°C | 0.13°C |
| 0°C | 0.25°C | 0.25°C |
Свързана информация
Резултати от оценката
Осигурява реview на резултатите от оценката на метода за компенсиране на отместването с температурни сензорни чипове Maxim Integrated* и Texas Instruments*.
Резултати от оценката
При оценката комплектите за оценка MAX31730 на Maxim Integrated* и TMP468 на Texas Instruments* бяха модифицирани, за да взаимодействат с отдалечените температурни диоди на няколко блока в Intel FPGA.
Таблица 3. Оценени блокове и модели на дъски
| Блокирайте | Платка за оценка на сензорен чип за температура | |
| TMP468 на Texas Instruments | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| Intel Stratix 10 ядрена тъкан | да | да |
| H-плочка или L-плочка | да | да |
| Е-плочка | да | да |
| П-плочка | да | да |
Следващите фигури показват настройката на платката Intel FPGA с платките за оценка Maxim Integrated и Texas Instruments.
Фигура 6. Настройка с платката за оценка MAX31730 на Maxim Integrate d
Фигура 7. Настройка с платката за оценка TMP468 на Texas Instruments
- Термичен усилвател — или като алтернатива, можете да използвате температурна камера — покрива и запечатва FPGA и принуждава температурата да съответства на зададената температурна точка.
- По време на този тест FPGA остана без захранване, за да се избегне генерирането на топлина.
- Времето на накисване за всяка температурна тестова точка беше 30 минути.
- Настройките на комплектите за оценка са използвали настройките по подразбиране от производителите.
- След настройката бяха последвани стъпките в Компенсация на отместване на страница 10 за събиране и анализ на данни.
Оценка с платката за оценка на MAX31730 температурен сензор на Maxim Integrated
Тази оценка беше извършена със стъпки за настройка, както е описано в Компенсация на отместване.
Данните бяха събрани преди и след прилагане на офсетната компенсация. Различна температура на отместване беше приложена към различни блокове Intel FPGA, тъй като една стойност на отместване не може да бъде приложена към всички блокове. Следните фигури показват резултатите.
Фигура 8. Данни за Intel Stratix 10 Core Fabric
Фигура 9. Данни за Intel FPGA H-Tile и L-Tile
Фигура 10. Данни за Intel FPGA E-Tile
Фигура 11. Данни за Intel FPGA P-Tile
Оценка с платката за оценка на чип за измерване на температура TMP468 на Texas Instruments
Тази оценка беше извършена със стъпки за настройка, както е описано в Компенсация на отместване.
Данните бяха събрани преди и след прилагане на офсетната компенсация. Различна температура на отместване беше приложена към различни блокове Intel FPGA, тъй като една стойност на отместване не може да бъде приложена към всички блокове. Следните фигури показват резултатите.
Фигура 12. Данни за Intel Stratix 10 Core Fabric
Фигура 13. Данни за Intel FPGA H-Tile и L-Tile
Фигура 14. Данни за Intel FPGA E-Tile
Фигура 15. Данни за Intel FPGA P-Tile
Заключение
Има много различни производители на чипове за измерване на температурата. По време на избора на компонент, Intel настоятелно препоръчва да изберете температурния сензорен чип, като вземете предвид следните съображения.
- Изберете чип с функция за конфигурируем фактор на идеалност.
- Изберете чип, който има анулиране на серийното съпротивление.
- Изберете чип, който поддържа Beta компенсация.
- Изберете кондензатори, които отговарят на препоръките на производителя на чипа.
- Приложете подходяща компенсация след извършване на температурна пробаfile проучване.
Въз основа на разглеждането на внедряването и резултатите от оценката, вие трябва да оптимизирате температурния сензорен чип във вашия дизайн, за да постигнете точност на измерването.
История на ревизиите на документа за AN 769: Ръководство за внедряване на диод за отдалечено измерване на температурата на Intel FPGA
| Версия на документа | Промени |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Първоначално издание. |
Корпорация Intel. Всички права запазени. Intel, логото на Intel и други марки на Intel са търговски марки на Intel Corporation или нейните филиали. Intel гарантира производителността на своите FPGA и полупроводникови продукти според настоящите спецификации в съответствие със стандартната гаранция на Intel, но си запазва правото да прави промени на продукти и услуги по всяко време без предизвестие. Intel не поема никаква отговорност или задължения, произтичащи от приложението или използването на каквато и да е информация, продукт или услуга, описани тук, освен в случаите, когато Intel е изрично договорено в писмен вид. Клиентите на Intel се съветват да получат най-новата версия на спецификациите на устройството, преди да разчитат на публикувана информация и преди да направят поръчки за продукти или услуги.
*Други имена и марки могат да бъдат заявени като собственост на други.
ISO
9001:2015
Регистриран
Документи / Ресурси
 |
Дистанционен сензор за температура intel AN 769 FPGA [pdf] Ръководство за потребителя AN 769 FPGA дистанционен температурен сензорен диод, AN 769, FPGA дистанционен температурен сензорен диод, дистанционен температурен сензорен диод, температурен сензорен диод, сензорен диод |
