Korisnički vodič za intel AN 769 FPGA Diode za daljinsko otkrivanje temperature

Intel® FPGA sistem za praćenje temperature omogućava vam da koristite čipove treće strane za praćenje temperature spoja (TJ). Ovaj spoljni sistem za praćenje temperature radi čak i kada je Intel FPGA isključen ili nije konfigurisan. Međutim, postoji nekoliko stvari koje morate uzeti u obzir kada dizajnirate sučelje između eksternog čipa i Intel FPGA dioda za daljinsko mjerenje temperature (TSD).
Kada odaberete čip za senzor temperature, obično biste gledali na točnost temperature koju želite postići. Međutim, sa najnovijom tehnologijom procesa i drugačijim dizajnom daljinskog TSD-a, morate uzeti u obzir i ugrađene karakteristike čipa za senzor temperature kako biste zadovoljili vaše zahtjeve za preciznošću dizajna.

Razumevanjem rada Intel FPGA sistema daljinskog merenja temperature, možete:

Otkrijte uobičajene probleme s aplikacijama senzora temperature.
Odaberite najprikladniji čip za senzor temperature koji zadovoljava vaše potrebe primjene, cijenu i vrijeme dizajna.

Intel snažno preporučuje da mjerite temperaturu na matrici koristeći lokalne TSD-ove, koje je Intel potvrdio. Intel ne može potvrditi tačnost spoljnih temperaturnih senzora u različitim sistemskim uslovima. Ako želite koristiti udaljene TSD-ove s vanjskim senzorima temperature, slijedite smjernice u ovom dokumentu i potvrdite točnost podešavanja mjerenja temperature.

Ova napomena o aplikaciji odnosi se na daljinsku implementaciju TSD-a za porodicu Intel Stratix® 10 FPGA uređaja.

Implementacija je završenaview

Eksterni senzor za temperaturu povezuje se na Intel FPGA daljinski TSD. Udaljeni TSD je PNP ili NPN dioda povezan tranzistor.

Slika 1. Veza između čipa za detekciju temperature i Intel FPGA Remote TSD (NPN dioda)

Slika 2. Veza između čipa za detekciju temperature i Intel FPGA Remote TSD (PNP dioda)

Sljedeća jednačina formira temperaturu tranzistora u odnosu na volumen baza-emitertage (VBE).

Jednačina 1. Odnos između temperature tranzistora i baznog emitera Voltage (VBE)gdje:
- T—temperatura u Kelvinima
- q—naelektrisanje elektrona (1.60 × 10−19 C)
- VBE—bazni emiter voltage
- k—Boltzmannova konstanta (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC—kolektorska struja
- IS—obrnuta struja zasićenja
- η—faktor idealnosti udaljene diode
  Preuređenjem jednačine 1, dobijate sledeću jednačinu.

Jednačina 2. VBE
Tipično, čip koji osjeća temperaturu prisiljava dvije uzastopne dobro kontrolirane struje, I1 i I2 na P i N pinove. Čip zatim meri i usredsređuje promenu VBE diode. Delta u VBE je direktno proporcionalna temperaturi, kao što je prikazano u jednačini 3.
Jednačina 3. Delta u VBEgdje:
- n—odnos prinudne struje
- VBE1—baza-emiter voltage na I1
- VBE2—baza-emiter voltage na I2

Razmatranje implementacije

Odabir čipa za senzor temperature sa odgovarajućim karakteristikama omogućava vam da optimizirate čip kako biste postigli tačnost mjerenja. Uzmite u obzir teme u srodnim informacijama kada odaberete čip.

Povezane informacije

Faktor idealnosti (η-faktor) Neusklađenost
Greška serijske otpornosti
Beta varijacija temperaturne diode
Diferencijalni ulazni kondenzator
Offset Compensation

Faktor idealnosti (η-faktor) Neusklađenost

Kada vršite mjerenje temperature spoja pomoću diode vanjske temperature, točnost mjerenja temperature ovisi o karakteristikama vanjske diode. Faktor idealnosti je parametar udaljene diode koji mjeri odstupanje diode od njenog idealnog ponašanja.
Faktor idealnosti obično možete pronaći u tehničkom listu proizvođača dioda. Različite diode vanjske temperature daju vam različite vrijednosti zbog različitog dizajna i procesnih tehnologija koje koriste.
Neusklađenost idealnosti može uzrokovati značajnu grešku mjerenja temperature. Da bi se izbjegla značajna greška, Intel preporučuje da odaberete čip za senzor temperature koji ima faktor idealnosti koji se može konfigurirati. Možete promijeniti vrijednost faktora idealnosti u čipu kako biste eliminirali grešku neusklađenosti.

Example 1. Doprinos faktora idealnosti grešci mjerenja temperature

Ovaj exampLe pokazuje kako faktor idealnosti doprinosi grešci mjerenja temperature. U exampIzračun pokazuje neusklađenost idealnosti koja uzrokuje značajnu grešku mjerenja temperature.

Jednačina 4. Odnos faktora idealnosti prema izmjerenoj temperaturi

gdje:

ηTSC—faktor idealnosti čipa za senzor temperature
TTSC—temperatura koju očitava čip za senzor temperature
ηRTD—faktor idealnosti udaljene temperaturne diode
TRTD—temperatura na udaljenoj temperaturnoj diodi

Sljedeći koraci procjenjuju mjerenje temperature (TTSC) pomoću čipa za senzor temperature, dajući sljedeće vrijednosti:

Faktor idealnosti temperaturnog senzora (ηTSC) je 1.005
Faktor idealnosti daljinske temperaturne diode (ηRTD) je 1.03
Stvarna temperatura na daljinskoj temperaturnoj diodi (TRTD) je 80°C

Pretvorite TRTD od 80°C u Kelvine: 80 + 273.15 = 353.15 K.
Primijenite jednačinu 4. Izračunata temperatura pomoću čipa za senzor temperature je 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03

Pretvorite izračunatu vrijednost u Celzijusove: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Greška temperature (TE) uzrokovana neusklađenošću idealnosti:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Greška serijske otpornosti

Serijski otpor na P i N pinovima doprinosi grešci mjerenja temperature.

Serijski otpor može biti od:

Unutrašnji otpor P i N pina temperaturne diode.
Otpor na tragove ploče, nprample, dugačak trag ploče.

Serijski otpor uzrokuje dodatnu voltage da padne na putu senzora temperature i rezultira greškom mjerenja, što utiče na tačnost mjerenja temperature. Obično se ova situacija dešava kada vršite merenje temperature sa 2-strujnim senzorom temperature.

Slika 3. Unutrašnji i serijski otpor na voziluDa bi se objasnila temperaturna greška koja je nastala kada se serijski otpor poveća, neki proizvođač čipova za senzor temperature daje podatke za temperaturnu grešku udaljene diode u odnosu na otpor.
Međutim, možete eliminirati grešku serijske otpornosti. Neki čipovi koji senzori temperaturu imaju ugrađenu funkciju poništavanja serijske otpornosti. Funkcija poništavanja serijskog otpora može eliminirati serijski otpor od raspona od nekoliko stotina Ω do raspona koji prelazi nekoliko hiljada Ω.
Intel preporučuje da uzmete u obzir funkciju poništavanja otpora serije kada odaberete čip za senzor temperature. Ova funkcija automatski eliminira temperaturnu grešku uzrokovanu otporom usmjeravanja na udaljeni tranzistor.

Beta varijacija temperaturne diode

Kako se geometrija procesne tehnologije smanjuje, Beta(β) vrijednost PNP ili NPN supstrata se smanjuje.
Kako Beta vrijednost temperaturne diode postaje niža, posebno ako je kolektor temperaturne diode vezan za uzemljenje, Beta vrijednost utiče na omjer struje u jednačini 3 na stranici 5. Stoga je održavanje tačnog omjera struje ključno.
Neki čipovi sa senzorom temperature imaju ugrađenu funkciju Beta kompenzacije. Beta varijacija kola prepoznaje osnovnu struju i prilagođava struju emitera kako bi kompenzirala varijaciju. Beta kompenzacija održava odnos struje kolektora.

Slika 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode sa omogućenom Maxim Integrated* MAX31730 Beta kompenzacijom
Ova slika pokazuje da je tačnost merenja postignuta sa omogućenom Beta kompenzacijom. Mjerenja su obavljena tokom stanja isključenja napajanja FPGA – očekuje se da će postavljene i izmjerene temperature biti blizu.

	0ËšC	50ËšC	100ËšC
Beta kompenzacija isključena	25.0625ËšC	70.1875ËšC	116.5625ËšC
Beta kompenzacija uključena	-0.6875˚C	49.4375ËšC	101.875ËšC

Diferencijalni ulazni kondenzator

Kondenzator (CF) na P i N pinovima djeluje kao niskopropusni filter koji pomaže u filtriranju visokofrekventnog šuma i poboljšanju elektromagnetnih smetnji (EMI).
Morate biti oprezni prilikom odabira kondenzatora jer veliki kapacitet može utjecati na vrijeme porasta uključenog izvora struje i dovesti do velike greške mjerenja. Tipično, proizvođač čipa koji senzor temperature daje preporučenu vrijednost kapacitivnosti u svom tehničkom listu. Pogledajte smjernice za dizajn ili preporuku proizvođača kondenzatora prije nego što odlučite o vrijednosti kapacitivnosti.

Slika 5. Diferencijalni ulazni kapacitet

Offset Compensation

Više faktora može istovremeno doprinijeti grešci mjerenja. Ponekad primjena jedne metode kompenzacije možda neće u potpunosti riješiti problem. Druga metoda za rješavanje greške mjerenja je primjena kompenzacije pomaka.

Napomena: Intel preporučuje da koristite čip za senzor temperature sa ugrađenom kompenzacijom pomaka. Ako čip za senzor temperature ne podržava ovu funkciju, možete primijeniti kompenzaciju pomaka tokom naknadne obrade putem prilagođene logike ili softvera.
Kompenzacija pomaka mijenja vrijednost registra pomaka iz čipa za senzor temperature kako bi se eliminirala izračunata greška. Da biste koristili ovu funkciju, morate izvršiti temperaturni profile proučiti i identificirati vrijednost pomaka koju treba primijeniti.

Morate prikupiti mjerenja temperature u željenom temperaturnom rasponu sa zadanim postavkama čipa za senzor temperature. Nakon toga izvršite analizu podataka kao u sljedećem nprample za određivanje vrijednosti pomaka koju treba primijeniti. Intel preporučuje da testirate nekoliko čipova za senzor temperature sa nekoliko daljinskih temperaturnih dioda kako biste osigurali da pokrijete varijacije od dijela do dijela. Zatim koristite prosjek mjerenja u analizi da odredite postavke koje treba primijeniti.
Možete odabrati temperaturne tačke za testiranje na osnovu uslova rada vašeg sistema.

Jednačina 5. Faktor pomaka

Example 2. Primjena kompenzacije offset-a U ovom nprampLe, skup temperaturnih mjerenja je prikupljen sa tri temperaturne tačke. Primijenite jednačinu 5 na vrijednosti i izračunajte faktor pomaka.

Tabela 1. Podaci prikupljeni prije primjene kompenzacije za pomak

Podesite temperaturu		Measured Temperature
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

Koristite srednju tačku temperaturnog raspona da izračunate temperaturu pomaka. U ovom example, srednja tačka je podešena temperatura od 50°C.
Offset temperature

= Faktor pomaka × (Izmjerena temperatura-Podešena temperatura)
= 0.9975 × (334.53 − 323.15)
= 11.35

Primijenite vrijednost pomaka temperature i druge faktore kompenzacije, ako je potrebno, u čip za senzor temperature i ponovite mjerenje.

Tabela 2. Podaci prikupljeni nakon primjene kompenzacije za pomak

Podesite temperaturu	Measured Temperature	Greška
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Povezane informacije
Rezultati evaluacije
Pruža review rezultata evaluacije metode kompenzacije pomaka sa Maxim Integrated* i Texas Instruments* temperaturnim senzorskim čipovima.

Rezultati evaluacije

U evaluaciji, Maxim Integrated*'s MAX31730 i Texas Instruments*'s TMP468 setovi za evaluaciju su modifikovani za povezivanje sa udaljenim temperaturnim diodama nekoliko blokova u Intel FPGA.

Tabela 3. Procijenjeni blokovi i modeli ploča

Blokiraj	Ploča za procjenu čipa sa senzorom temperature
Blokiraj	TMP468 kompanije Texas Instruments	Maxim Integrate d's MAX31730
Intel Stratix 10 core tkanina	Da	Da
H-pločica ili L-pločica	Da	Da
E-pločica	Da	Da
P-pločica	Da	Da

Sljedeće slike prikazuju podešavanje Intel FPGA ploče sa Maxim Integrated i Texas Instruments pločama za evaluaciju.

Slika 6. Podešavanje sa Maxim Integrate d's MAX31730 Evaluation Board

Slika 7. Podešavanje pomoću ploče za procjenu TMP468 Texas Instruments

Termička sila – ili alternativno, možete koristiti temperaturnu komoru – pokrila je i zapečatila FPGA i prisilila temperaturu prema zadanoj temperaturnoj tački.
Tokom ovog testa, FPGA je ostao u stanju bez napajanja kako bi se izbjeglo stvaranje topline.
Vrijeme namakanja za svaku temperaturnu testnu tačku je 30 minuta.
Postavke na kompletima za evaluaciju koristile su zadane postavke proizvođača.
Nakon podešavanja, slijedili su se koraci u Kompenzaciji pomaka na stranici 10 za prikupljanje i analizu podataka.

Evaluacija sa Maxim Integrated-om MAX31730 čip za procjenu temperature

Ova evaluacija je sprovedena sa koracima podešavanja kao što je opisano u Kompenzacija pomaka.
Podaci su prikupljeni prije i nakon primjene kompenzacije ofseta. Drugačija temperatura pomaka je primijenjena na različite Intel FPGA blokove jer se jedna vrijednost pomaka ne može primijeniti na sve blokove. Sljedeće slike prikazuju rezultate.

Slika 8. Podaci za Intel Stratix 10 Core Fabric

Slika 9. Podaci za Intel FPGA H-Tile i L-Tile

Slika 10. Podaci za Intel FPGA E-Tile

Slika 11. Podaci za Intel FPGA P-Tile

Evaluacija s Texas Instrumentsovom TMP468 temperaturnom senzorskom pločom za procjenu čipa

Slika 12. Podaci za Intel Stratix 10 Core Fabric

Slika 13. Podaci za Intel FPGA H-Tile i L-Tile

Slika 14. Podaci za Intel FPGA E-Tile

Slika 15. Podaci za Intel FPGA P-Tile

Zaključak

Postoji mnogo različitih proizvođača čipova sa senzorom temperature. Tokom odabira komponente, Intel snažno preporučuje da odaberete čip za senzor temperature uzimajući u obzir slijedeća razmatranja.

Odaberite čip s podesivim faktorom idealnosti.
Odaberite čip koji ima poništenje serijskog otpora.
Odaberite čip koji podržava Beta kompenzaciju.
Odaberite kondenzatore koji odgovaraju preporukama proizvođača čipa.
Primijenite odgovarajuću kompenzaciju nakon izvođenja temperature profile studija.

Na osnovu razmatranja implementacije i rezultata evaluacije, morate optimizirati čip senzora temperature u svom dizajnu kako biste postigli tačnost mjerenja.

Istorija revizije dokumenta za AN 769: Vodič za implementaciju diode za daljinsko detekciju temperature Intel FPGA

Verzija dokumenta	Promjene
2022.04.06	Ispravljeno izračunavanje temperature čipa sa senzorom temperature u temi o nepodudarnosti faktora idealnosti. Ispravljen proračun ofset temperature nprample u temi o kompenzaciji ofseta.
2021.02.09	Prvo izdanje.

Intel Corporation. Sva prava zadržana. Intel, Intel logo i druge Intel oznake su zaštitni znaci Intel Corporation ili njenih podružnica. Intel garantuje performanse svojih FPGA i poluprovodničkih proizvoda u skladu sa trenutnim specifikacijama u skladu sa Intelovom standardnom garancijom, ali zadržava pravo da izvrši izmene bilo kojeg proizvoda i usluge u bilo koje vreme bez prethodne najave. Intel ne preuzima nikakvu odgovornost ili odgovornost koja proizilazi iz primene ili korišćenja bilo koje informacije, proizvoda ili usluge opisane ovde, osim ako je Intel izričito pristao u pisanoj formi. Intelovim kupcima se savjetuje da nabave najnoviju verziju specifikacija uređaja prije nego što se oslone na bilo koju objavljenu informaciju i prije naručivanja proizvoda ili usluga.
*Druga imena i robne marke mogu se smatrati vlasništvom drugih.

ISO
9001:2015
Registrovan

Dokumenti / Resursi

intel AN 769 FPGA dioda za daljinsko mjerenje temperature [pdf] Korisnički priručnik
AN 769 FPGA Dioda za daljinsko detekciju temperature, AN 769, FPGA Dioda za daljinsko detekciju temperature, Dioda za daljinsko detekciju temperature, Dioda za detekciju temperature, Dioda za detekciju

Reference

Uputstvo za upotrebu

intel AN 769 FPGA dioda za daljinsko mjerenje temperature

Uvod