Intel AN 769 FPGA Diode de détection de température à distance
Introduzione
In l'applicazioni elettroniche muderne, in particulare l'applicazioni chì necessitanu un cuntrollu di temperatura critica, a misurazione di a temperatura in chip hè cruciale.
I sistemi d'alta prestazione si basanu in misurazioni precise di a temperatura per ambienti interni è esterni.
- Ottimisate u rendiment
- Assicurà un funziunamentu affidabile
- Impedisce i danni à i cumpunenti
U sistema di monitorizazione di a temperatura Intel® FPGA permette di utilizà chips di terzu per monitorà a temperatura di junction (TJ). Stu sistema di surviglianza di a temperatura esterna funziona ancu mentre l'Intel FPGA hè alimentatu o micca cunfiguratu. Tuttavia, ci sò parechje cose chì duvete cunsiderà quandu cuncepite l'interfaccia trà u chip esternu è i diodi di sensori di temperatura remoti Intel FPGA (TSD).
Quandu sceglite un chip di sensore di temperatura, generalmente guardate a precisione di a temperatura chì vulete ottene. Tuttavia, cù l'ultime tecnulugia di prucessu è un disignu TSD remoto differente, duvete ancu cunsiderà e funzioni integrate di u chip sensore di temperatura per risponde à i vostri bisogni di precisione di cuncepimentu.
Cumprendu u funziunamentu di u sistema di misurazione di temperatura remota Intel FPGA, pudete:
- Scopre prublemi cumuni cù l'applicazioni di sensori di temperatura.
- Selezziunate u chip di sensore di temperatura più adattatu chì risponde à i vostri bisogni di l'applicazione, u costu è u tempu di cuncepimentu.
Intel ricumanda fermamente di misurà a temperatura nantu à a matri cù TSD lucali, chì Intel hà validatu. Intel ùn pò micca validà a precisione di i sensori di temperatura esterni in diverse cundizioni di u sistema. Se vulete usà i TSD remoti cù sensori di temperatura esterni, seguite e linee guida in stu documentu è cunvalidate a precisione di a vostra cunfigurazione di misurazione di a temperatura.
Questa nota di l'applicazione si applica à l'implementazione TSD remota per a famiglia di dispositivi Intel Stratix® 10 FPGA.
Implementazione finitaview
U chip di rilevazione di a temperatura esterna si cunnetta à u TSD remoto Intel FPGA. U TSD remoto hè un transistor PNP o NPN cunnessu cù diodi.
- Figura 1. Cunnessione trà chip di rilevazione di temperatura è Intel FPGA Remote TSD (diode NPN)
- Figura 2. Cunnessione trà u chip di rilevazione di temperatura è Intel FPGA Remote TSD (diode PNP)
L'equazioni siquenti forma a temperatura di un transistor in relazione à a basa-emitter voltage (VBE).
- Equazione 1. Relazione trà a Temperature di Transistor à Base-Emitter Voltage (VBE)
Induve:
- T - Temperature in Kelvin
- q - a carica di l'elettroni (1.60 × 10−19 C)
- VBE - base-emitter voltage
- k—Costante di Boltzmann (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC - u currente di u cullettore
- IS - a corrente di saturazione inversa
- η - u fattore di idealità di u diodu remoto
Riarrangendu l'Equazione 1, avete a seguente equazione.
- Equazioni 2. VBE
En règle générale, le chip de détection de température force deux courants consécutifs bien contrôlés, I1 et I2 sur les broches P et N. U chip poi misura è mediu u cambiamentu di u VBE di u diodu. U delta in VBE hè direttamente proporzionale à a temperatura, cum'è mostra in l'Equazione 3. - Equazione 3. Delta in VBE
Induve:
- n-rapportu currenti furzatu
- VBE1-base-emitter voltage à I1
- VBE2-base-emitter voltage à I2
Considerazione di implementazione
A selezzione di u chip sensore di temperatura cù e caratteristiche adatte permette di ottimisà u chip per ottene a precisione di misurazione. Cunsiderate i temi in l'infurmazioni rilativi quandu selezziunate u chip.
- Fattore di idealità (η-Factor) Mismatch
- Errore di resistenza di serie
- Temperature Diode Beta Variation
- Condensatore di input differenziale
- Compensazione offset
Fattore di idealità (η-Factor) Mismatch
Quandu si eseguite a misura di a temperatura di a junction usendu un diodu di temperatura esterna, a precisione di a misurazione di a temperatura dipende da e caratteristiche di u diodu esternu. U fattore di idealità hè un paràmetru di un diodu remoto chì misura a deviazione di u diodu da u so cumpurtamentu ideale.
Di solitu pudete truvà u fattore di idealità in a scheda di dati da u fabricatore di diodi. Diversi diodi di temperatura esterna vi danu valori diffirenti per via di e diverse tecnulugia di cuncepimentu è di prucessu chì utilizanu.
A discrepanza di idealità pò causà un errore significativu di misurazione di a temperatura. Per evità l'errore significativu, Intel ricumanda di selezziunate un chip di sensori di temperatura chì presenta un fattore di idealità configurabile. Pudete cambià u valore di u fattore di idealità in u chip per eliminà l'errore di misat.
- Examplu 1. Idealità Factor Contribution to Temperature Measurement Error
Questu example mostra cumu u fattore di idealità cuntribuisce à l'errore di misurazione di a temperatura. In l'example, u calculu mostra a discordanza di idealità chì causa un errore di misurazione di temperatura significativu.
- Equazione 4. Fattore di idealità Relazione cù a temperatura misurata
Induve:
- ηTSC - fattore di idealità di u chip sensore di temperatura
- TTSC - a temperatura letta da u chip sensore di temperatura
- ηRTD-facteur d'idéalité du diode de température à distance
- TRTD - température à la diode de température à distance
Les étapes suivantes estiment la mesure de température (TTSC) par le chip de détection de température, à partir des valeurs suivantes :
- Fattore di idealità di u sensor di temperatura (ηTSC) hè 1.005
- Fattore di idealità di u diodu di temperatura remota (ηRTD) hè 1.03
- La température réelle au diode de température à distance (TRTD) est de 80°C
- Cunvertisce u TRTD di 80 °C à Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- Apply Equation 4. A temperatura calculata da u chip sensore di temperatura hè 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
- Cunvertisce u valore calculatu in Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 ° C L'errore di temperatura (TE) causatu da a discrepanza di idealità:
TE = 71.43 °C – 80.0 °C = –8.57 °C
Errore di resistenza di serie
A resistenza di serie nantu à i pin P è N cuntribuisce à l'errore di misurazione di a temperatura.
A resistenza di serie pò esse da:
- A resistenza interna di u pin P è N di u diode di temperatura.
- A resistenza di traccia di u bordu, per example, una traccia longa di bordu.
A resistenza di a serie provoca voltage to drop at the temperature sensing path and results in measurement error, affecting the exactitude of the temperature measurement. Tipicamenti, sta situazione accade quandu eseguite a misurazione di a temperatura cù un chip sensore di temperatura di 2 currenti.
Figura 3. Resistenza di Serie Interna è On-Board
Per spiegà l'errore di temperatura incurru quandu a resistenza di a serie aumenta, qualchì fabricatore di chip sensori di temperatura furnisce i dati per l'errore di temperatura di diodu remota versus a resistenza.
Tuttavia, pudete eliminà l'errore di resistenza di serie. Qualchi chip di rilevazione di temperatura hà una funzione di cancellazione di resistenza in serie integrata. A funzione di annullamentu di a resistenza di a serie pò eliminà a resistenza di a serie da un intervallu di qualchi centu Ω à un intervallu chì supera uni pochi milla Ω.
Intel ricumanda di cunsiderà a funzione di annullamentu di a resistenza di a serie quandu selezziunate u chip sensore di temperatura. A funzione elimina automaticamente l'errore di temperatura causatu da a resistenza di u routing à u transistor remoto.
Temperature Diode Beta Variation
À mesure que les géométries de la technologie de processus diminuent, la valeur Beta(β) du substrat PNP ou NPN diminue.
Cum'è u valore Beta diode di temperatura hè più bassu, soprattuttu s'ellu u cullettore di diode di temperatura hè ligatu à a terra, u valore Beta affetta u rapportu attuale nantu à l'Equazione 3 in a pagina 5. Per quessa, mantene un rapportu attuale precisu hè cruciale.
Certi chips sensori di temperatura anu una funzione di compensazione Beta integrata. A variazione Beta di u circuitu sente a corrente di basa è aghjusta u currente di l'emettitore per cumpensà a variazione. A compensazione Beta mantene u rapportu attuale di u cullettore.
Figura 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode cù Maxim Integrated*'s MAX31730 Beta Compensation Enabled
Questa figura mostra chì a precisione di a misura hè ottenuta cù a compensazione Beta attivata. E misurazioni sò state pigliate durante a cundizione di FPGA - e temperature stabilite è misurate sò previste per esse vicinu.
| 0˚C | 50˚C | 100˚C | |
| Compensazione Beta Off | 25.0625˚C | 70.1875˚C | 116.5625˚C |
| Compensazione Beta On | -0.6875˚C | 49.4375˚C | 101.875˚C |
Condensatore di input differenziale
U condensatore (CF) nantu à i pin P è N agisce cum'è un filtru low-pass chì aiuta à filtrà u sonu d'alta frequenza è migliurà l'interferenza elettromagnetica (EMI).
Duvete esse attentu durante a selezzione di u condensatore perchè a grande capacità pò influenzà u tempu di crescita di a surgente di corrente cambiata è introduce un errore di misurazione enormu. Di genere, u fabricatore di chip sensori di temperatura furnisce u valore di capacità cunsigliatu in a so scheda di dati. Riferite à e linee di cuncepimentu di u fabricatore di condensatore o raccomandazione prima di decide u valore di capacità.
Figura 5. Capacità di input differenziale
Compensazione offset
Diversi fattori ponu cuntribuisce simultaneamente à l'errore di misurazione. A volte, l'applicazione di un solu metudu di compensazione ùn pò micca risolve cumplettamente u prublema. Un altru mètudu per risolve l'errore di misurazione hè di applicà una compensazione offset.
Nota: Intel consiglia di utilizà un chip sensore di temperatura cù compensazione offset integrata. Se u chip di rilevazione di a temperatura ùn sustene micca a funzione, pudete applicà una compensazione offset durante u post-elaborazione per mezu di logica o software persunalizata.
A compensazione di l'offset cambia u valore di u registru offset da u chip sensore di temperatura per eliminà l'errore calculatu. Per utilizà sta funzione, deve esse realizatu una temperatura profile studià è identificà u valore di offset à applicà.
Duvete raccoglie e misurazioni di a temperatura in a gamma di temperatura desiderata cù i paràmetri predeterminati di u chip sensore di temperatura. Dopu, fà l'analisi di dati cum'è in l'esempiu seguentiample per determinà u valore di offset da applicà. Intel ricumanda di pruvà parechji chips di sensori di temperatura cù parechji diodi di temperatura remoti per assicurà chì copre e variazioni parte à parte. Dopu, aduprate e misure medii in l'analisi per determinà i paràmetri da applicà.
Pudete selezziunà i punti di temperatura per pruvà basatu nantu à a cundizione di u funziunamentu di u vostru sistema.
Equazione 5. Fattore di offset
Example 2. Applicazione di Compensazione OffsetIn questu example, un inseme di misure di temperatura hè stata cullata cù trè punti di temperatura. Applicà l'Equazione 5 à i valori è calculate u fattore di offset.
Tabella 1. Dati raccolti prima di applicà una compensazione offset
| Set Temperature | Temperatura misurata | ||
| 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 |
Aduprate u puntu mediu di a gamma di temperatura per calculà a temperatura offset. In questu example, u puntu mediu hè a temperatura 50 ° C stabilitu.
Temperature offset
- = Facteur d'offset × (température mesurée-température réglée)
- = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
- = 11.35
Applicà u valore di a temperatura offset è altri fattori di compensazione, se necessariu, in u chip sensore di temperatura è ripiglià a misurazione.
Tabella 2. Dati raccolti dopu l'applicazione di una compensazione offset
| Set Temperature | Temperatura misurata | Errore |
| 100 ° C | 101.06 ° C | 1.06 ° C |
| 50 ° C | 50.13 ° C | 0.13 ° C |
| 0 ° C | 0.25 ° C | 0.25 ° C |
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Risultati di valutazione
Fornisce un review di i risultati di valutazione di u metudu di compensazione offset cù chips di sensori di temperatura Maxim Integrated* è Texas Instruments*.
Risultati di valutazione
In a valutazione, u MAX31730 di Maxim Integrated * è i kit di valutazione TMP468 di Texas Instruments * sò stati mudificati per interfaccia cù i diodi di temperatura remoti di parechji blocchi in l'Intel FPGA.
Tabella 3. Blocchi valutati è mudelli di bordu
| Bloccu | Cunsigliu di valutazione di a temperatura di u chip | |
| TMP468 di Texas Instruments | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| Tessutu core Intel Stratix 10 | Iè | Iè |
| Piastrelle in H o piastrelle in L | Iè | Iè |
| E-tile | Iè | Iè |
| P-tile | Iè | Iè |
I seguenti figuri mostranu a cunfigurazione di a scheda Intel FPGA cù i pannelli di valutazione Maxim Integrated è Texas Instruments.
Figura 6. Configurazione cù Maxim Integrate d's MAX31730 Evaluation Board
Figura 7. Configurazione cù u Cunsigliu di Valutazione TMP468 di Texas Instruments
- Un forzatore termale - o alternativamente, pudete aduprà una camera di temperatura - coperto è sigillatu u FPGA è furzatu a temperatura in quantu à u puntu di temperatura stabilitu.
- Duranti sta prova, a FPGA hè stata in cundizione senza alimentazione per evità di generà calore.
- U tempu di immersione per ogni puntu di prova di temperatura era di 30 minuti.
- I paràmetri nantu à i kit di valutazione anu utilizatu i paràmetri predeterminati da i fabricatori.
- Dopu a cunfigurazione, i passi in Compensazione di Offset à a pagina 10 sò stati seguiti per a raccolta di dati è l'analisi.
Valutazione cù a scheda di valutazione di chip di sensore di temperatura MAX31730 di Maxim Integrated
Questa valutazione hè stata realizata cù i passi di cunfigurazione cum'è descritti in Compensazione offset.
I dati sò stati raccolti prima è dopu applicà a compensazione offset. A temperatura di offset differente hè stata applicata à diversi blocchi Intel FPGA perchè un unicu valore di offset ùn pò micca esse applicatu à tutti i blocchi. I seguenti figuri mostranu i risultati.
Figura 8. Dati per Intel Stratix 10 Core Fabric
Figura 9. Dati per Intel FPGA H-Tile è L-Tile
Figura 10. Dati per Intel FPGA E-Tile
Figura 11. Dati per Intel FPGA P-Tile
Valutazione cù u Cunsigliu di Valutazione di Chip Sensing Temperature TMP468 di Texas Instruments
Questa valutazione hè stata realizata cù i passi di cunfigurazione cum'è descritti in Compensazione offset.
I dati sò stati raccolti prima è dopu applicà a compensazione offset. A temperatura di offset differente hè stata applicata à diversi blocchi Intel FPGA perchè un unicu valore di offset ùn pò micca esse applicatu à tutti i blocchi. I seguenti figuri mostranu i risultati.
Figura 12. Dati per Intel Stratix 10 Core Fabric
Figura 13. Dati per Intel FPGA H-Tile è L-Tile
Figura 14. Dati per Intel FPGA E-Tile
Figura 15. Dati per Intel FPGA P-Tile
Cunclusioni
Ci sò parechji pruduttori di chip sensori di temperatura. Durante a selezzione di cumpunenti, Intel ricumanda fermamente di selezziunate u chip sensore di temperatura cù e seguenti considerazioni.
- Selezziunate un chip cun funzione di fattore di idealità configurabile.
- Sceglite un chip chì hà annullamentu di resistenza di serie.
- Sceglite un chip chì sustene a compensazione Beta.
- Sceglite i condensatori chì currispondenu à i cunsiglii di u fabricatore di chip.
- Applicà ogni compensazione adatta dopu à eseguisce una temperatura profile studià.
Basatu nantu à a considerazione di l'implementazione è i risultati di valutazione, duvete ottimisà u chip di sensore di temperatura in u vostru disignu per ottene a precisione di misurazione.
Storia di rivisione di documenti per AN 769: Guida di implementazione di diodi di rilevazione di temperatura remota Intel FPGA
| Versione di documentu | Cambiamenti |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Liberazione iniziale. |
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