Dioda dálkového snímání teploty intel AN 769 FPGA
Zavedení
V moderních elektronických aplikacích, zejména aplikacích, které vyžadují kritickou kontrolu teploty, je měření teploty na čipu zásadní.
Vysoce výkonné systémy spoléhají na přesné měření teploty pro vnitřní i venkovní prostředí.
- Optimalizace výkonu
- Zajistěte spolehlivý provoz
- Zabraňte poškození součástí
Systém sledování teploty Intel® FPGA umožňuje používat čipy třetích stran ke sledování teploty přechodu (TJ). Tento externí systém sledování teploty funguje, i když je Intel FPGA vypnutý nebo není nakonfigurován. Existuje však několik věcí, které musíte vzít v úvahu, když navrhujete rozhraní mezi externím čipem a diodami Intel FPGA pro vzdálené snímání teploty (TSD).
Když vyberete čip pro snímání teploty, obvykle se podíváte na přesnost teploty, které chcete dosáhnout. S nejnovější procesní technologií a odlišným designem vzdáleného TSD však musíte také zvážit vestavěné funkce čipu pro snímání teploty, abyste splnili vaše požadavky na přesnost návrhu.
Pochopením fungování systému vzdáleného měření teploty Intel FPGA můžete:
- Objevte běžné problémy s aplikacemi pro snímání teploty.
- Vyberte nejvhodnější čip pro snímání teploty, který vyhovuje potřebám vaší aplikace, nákladům a době návrhu.
Společnost Intel důrazně doporučuje měřit teplotu na desce pomocí místních TSD, které Intel ověřil. Společnost Intel nemůže ověřit přesnost externích teplotních senzorů za různých systémových podmínek. Pokud chcete používat vzdálené TSD s externími teplotními senzory, postupujte podle pokynů v tomto dokumentu a ověřte přesnost nastavení měření teploty.
Tato aplikační poznámka platí pro vzdálenou implementaci TSD pro rodinu zařízení Intel Stratix® 10 FPGA.
Implementace ukončenaview
Čip externího snímání teploty se připojuje ke vzdálenému TSD Intel FPGA. Vzdálený TSD je PNP nebo NPN tranzistor připojený k diodě.
- Obrázek 1. Spojení mezi čipem pro snímání teploty a Intel FPGA Remote TSD (NPN Diode)
- Obrázek 2. Spojení mezi čipem pro snímání teploty a Intel FPGA Remote TSD (PNP Diode)
Následující rovnice tvoří teplotu tranzistoru ve vztahu k bázi-emitor objtage (VBE).
- Rovnice 1. Vztah mezi teplotou tranzistoru a báze-emitor svtage (VBE)
Kde:
- T – Teplota v Kelvinech
- q – náboj elektronu (1.60 × 10-19 C)
- VBE—základní emitor svtage
- k—Boltzmannova konstanta (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC – kolektorový proud
- IS – reverzní saturační proud
- η – faktor ideality vzdálené diody
Přeuspořádáním rovnice 1 získáte následující rovnici.
- Rovnice 2. VBE
Čip snímající teplotu obvykle nutí dva po sobě jdoucí dobře řízené proudy, I1 a I2 na kolících P a N. Čip pak měří a zprůměruje změnu VBE diody. Delta ve VBE je přímo úměrná teplotě, jak ukazuje rovnice 3. - Rovnice 3. Delta ve VBE
Kde:
- n – poměr nuceného proudu
- VBE1—základ-emitor objtage na I1
- VBE2—základ-emitor objtage na I2
Zvažování implementace
Výběr čipu pro snímání teploty s příslušnými funkcemi umožňuje optimalizovat čip pro dosažení přesnosti měření. Při výběru čipu zvažte témata v souvisejících informacích.
- Faktor ideality (η-Factor) Neshoda
- Chyba sériového odporu
- Temperature Diode Beta Variation
- Diferenční vstupní kondenzátor
- Kompenzace offsetu
Faktor ideality (η-Factor) Neshoda
Když provádíte měření teploty přechodu pomocí externí teplotní diody, závisí přesnost měření teploty na charakteristikách externí diody. Faktor ideality je parametr vzdálené diody, který měří odchylku diody od jejího ideálního chování.
Faktor ideality obvykle najdete v datovém listu od výrobce diody. Různé externí teplotní diody vám dávají různé hodnoty kvůli různé konstrukci a procesním technologiím, které používají.
Nesoulad ideálů může způsobit značnou chybu měření teploty. Chcete-li se vyhnout významné chybě, společnost Intel doporučuje vybrat čip pro snímání teploty, který má konfigurovatelný faktor ideálnosti. Můžete změnit hodnotu faktoru ideálnosti v čipu, abyste odstranili chybu nesouladu.
- Example 1. Příspěvek faktoru ideality k chybě měření teploty
Tento example ukazuje, jak faktor ideality přispívá k chybě měření teploty. V example, výpočet ukazuje nesoulad ideálnosti způsobující významnou chybu měření teploty.
- Rovnice 4. Faktor ideality Vztah k naměřené teplotě
Kde:
- ηTSC—faktor ideálnosti čipu pro snímání teploty
- TTSC — teplota čtená čipem pro snímání teploty
- ηRTD—ideální faktor vzdálené teplotní diody
- TRTD—teplota na dálkové teplotní diodě
Následující kroky odhadují měření teploty (TTSC) čipem snímajícím teplotu za předpokladu následujících hodnot:
- Faktor ideálnosti teplotního senzoru (ηTSC) je 1.005
- Faktor ideality dálkové teplotní diody (ηRTD) je 1.03
- Skutečná teplota na dálkové teplotní diodě (TRTD) je 80°C
- Převeďte TRTD 80 °C na Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- Použijte rovnici 4. Vypočítaná teplota čipem snímajícím teplotu je 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
- Převeďte vypočítanou hodnotu na stupně Celsia: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 °C Chyba teploty (TE) způsobená nesouladem ideálnosti:
TE = 71.43 °C – 80.0 °C = –8.57 °C
Chyba sériového odporu
Sériový odpor na pinech P a N přispívá k chybě měření teploty.
Sériový odpor může být od:
- Vnitřní odpor pinů P a N teplotní diody.
- Stopový odpor desky, napřample, dlouhá stopa desky.
Sériový odpor způsobuje přídavné objtage pokles na dráze snímání teploty a výsledkem je chyba měření, která ovlivňuje přesnost měření teploty. K této situaci obvykle dochází, když provádíte měření teploty pomocí 2-proudového snímače teploty.
Obrázek 3. Vnitřní a palubní sériový odpor
Aby se vysvětlila chyba teploty, ke které dochází při zvýšení sériového odporu, někteří výrobci čipů pro snímání teploty poskytují data pro teplotní chybu vzdálené diody v závislosti na odporu.
Chybu sériového odporu však můžete odstranit. Některé čipy pro snímání teploty mají vestavěnou funkci zrušení sériového odporu. Funkce zrušení sériového odporu může eliminovat sériový odpor z rozsahu několika stovek Ω do rozsahu přesahujícího několik tisíc Ω.
Společnost Intel doporučuje, abyste při výběru čipu pro snímání teploty zvážili funkci zrušení sériového odporu. Tato funkce automaticky eliminuje teplotní chybu způsobenou odporem vedení ke vzdálenému tranzistoru.
Temperature Diode Beta Variation
Jak se geometrie procesní technologie zmenšují, hodnota Beta(β) substrátu PNP nebo NPN klesá.
Jak se hodnota beta teplotní diody snižuje, zejména pokud je kolektor teplotní diody spojen se zemí, hodnota Beta ovlivní poměr proudu podle rovnice 3 na straně 5. Proto je důležité udržovat přesný poměr proudu.
Některé čipy pro snímání teploty mají vestavěnou funkci Beta kompenzace. Varianta Beta obvodu snímá základní proud a upravuje proud emitoru, aby kompenzoval odchylky. Beta kompenzace udržuje poměr kolektorového proudu.
Obrázek 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode s Maxim Integrated*'s MAX31730 Beta Compensation Enabled
Tento obrázek ukazuje, že přesnosti měření je dosaženo se zapnutou kompenzací Beta. Měření byla provedena během stavu vypnutí FPGA – očekává se, že nastavené a naměřené teploty se budou blížit.
| 0˚C | 50˚C | 100˚C | |
| Beta kompenzace vypnuta | 25.0625˚C | 70.1875˚C | 116.5625˚C |
| Beta kompenzace zapnuta | -0.6875 °C | 49.4375˚C | 101.875˚C |
Diferenční vstupní kondenzátor
Kondenzátor (CF) na pinech P a N funguje jako dolní propust, která pomáhá filtrovat vysokofrekvenční šum a zlepšovat elektromagnetické rušení (EMI).
Při výběru kondenzátoru musíte být opatrní, protože velká kapacita může ovlivnit dobu náběhu spínaného zdroje proudu a způsobit velkou chybu měření. Výrobce čipu pro snímání teploty obvykle uvádí doporučenou hodnotu kapacity ve svém datovém listu. Než se rozhodnete pro hodnotu kapacity, přečtěte si pokyny nebo doporučení výrobce kondenzátoru.
Obrázek 5. Diferenciální vstupní kapacita
Kompenzace offsetu
K chybě měření může současně přispívat více faktorů. Použití jedné metody kompenzace někdy nemusí problém plně vyřešit. Další metodou k vyřešení chyby měření je použití kompenzace offsetu.
Poznámka: Společnost Intel doporučuje používat čip pro snímání teploty s vestavěnou kompenzací offsetu. Pokud čip pro snímání teploty tuto funkci nepodporuje, můžete použít kompenzaci offsetu během následného zpracování pomocí vlastní logiky nebo softwaru.
Kompenzace offsetu změní hodnotu registru offsetu z čipu pro snímání teploty, aby se eliminovala vypočítaná chyba. Chcete-li použít tuto funkci, musíte provést teplotní profile prostudujte a určete hodnotu offsetu, kterou chcete použít.
Musíte shromažďovat měření teploty v požadovaném teplotním rozsahu s výchozím nastavením čipu pro snímání teploty. Poté proveďte analýzu dat jako v následujícím příkladuample k určení hodnoty offsetu, která se má použít. Společnost Intel doporučuje otestovat několik čipů pro snímání teploty s několika diodami vzdálené teploty, aby bylo zajištěno, že pokryjete variace mezi jednotlivými částmi. Poté použijte průměr měření v analýze k určení nastavení, která se mají použít.
Teplotní body k testování můžete vybrat na základě provozních podmínek vašeho systému.
Rovnice 5. Offsetový faktor
Example 2. Aplikace kompenzace offsetu V tomto příkladuample byla shromážděna sada měření teploty se třemi teplotními body. Použijte rovnici 5 na hodnoty a vypočítejte faktor offsetu.
Tabulka 1. Data shromážděná před aplikací kompenzace offsetu
| Nastavte teplotu | Naměřená teplota | ||
| 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 |
Pro výpočet offsetové teploty použijte střední bod teplotního rozsahu. V tomto example, střední bod je nastavená teplota 50°C.
Offsetová teplota
- = Faktor offsetu × ( Naměřená teplota – Nastavená teplota )
- = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
- = 11.35
Aplikujte hodnotu offsetu teploty a další kompenzační faktory, pokud je to požadováno, do čipu pro snímání teploty a proveďte měření znovu.
Tabulka 2. Data shromážděná po použití kompenzace offsetu
| Nastavte teplotu | Naměřená teplota | Chyba |
| 100 °C | 101.06 °C | 1.06 °C |
| 50 °C | 50.13 °C | 0.13 °C |
| 0 °C | 0.25 °C | 0.25 °C |
Související informace
Výsledky hodnocení
Poskytuje review výsledků vyhodnocení metody kompenzace offsetu s čipy Maxim Integrated* a Texas Instruments* pro snímání teploty.
Výsledky hodnocení
Při hodnocení byly vyhodnocovací sady MAX31730 a Texas Instruments* TMP468 upraveny pro propojení se vzdálenými teplotními diodami několika bloků v Intel FPGA.
Tabulka 3. Hodnocené bloky a modely desek
| Blok | Tabule pro hodnocení čipů se snímáním teploty | |
| TMP468 od Texas Instruments | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| Tkanina jádra Intel Stratix 10 | Ano | Ano |
| H-dlaždice nebo L-dlažba | Ano | Ano |
| E-dlaždice | Ano | Ano |
| P-dlaždice | Ano | Ano |
Následující obrázky ukazují nastavení desky Intel FPGA s vyhodnocovacími deskami Maxim Integrated a Texas Instruments.
Obrázek 6. Nastavení pomocí vyhodnocovací desky MAX31730 Maxim Integrate d's
Obrázek 7. Nastavení pomocí zkušební desky TMP468 společnosti Texas Instruments
- Tepelná síla – nebo alternativně můžete použít teplotní komoru – zakryla a utěsnila FPGA a vynutila teplotu podle nastaveného teplotního bodu.
- Během tohoto testu zůstalo FPGA v nenapájeném stavu, aby se zabránilo generování tepla.
- Doba namáčení pro každý teplotní testovací bod byla 30 minut.
- Nastavení na vyhodnocovacích sadách používalo výchozí nastavení od výrobců.
- Po nastavení byly pro sběr dat a analýzu provedeny kroky v části Kompenzace posunu na straně 10.
Vyhodnocení pomocí desky pro hodnocení čipů MAX31730 pro snímání teploty Maxim Integrated
Toto vyhodnocení bylo provedeno s kroky nastavení, jak je popsáno v části Kompenzace offsetu.
Data byla shromážděna před a po aplikaci kompenzace. Na různé bloky Intel FPGA byla aplikována různá offsetová teplota, protože jednu hodnotu offsetu nelze použít na všechny bloky. Následující obrázky ukazují výsledky.
Obrázek 8. Data pro Intel Stratix 10 Core Fabric
Obrázek 9. Data pro Intel FPGA H-Tile a L-Tile
Obrázek 10. Data pro Intel FPGA E-Tile
Obrázek 11. Data pro Intel FPGA P-Tile
Vyhodnocení pomocí desky pro hodnocení čipů TMP468 společnosti Texas Instruments
Toto vyhodnocení bylo provedeno s kroky nastavení, jak je popsáno v části Kompenzace offsetu.
Data byla shromážděna před a po aplikaci kompenzace. Na různé bloky Intel FPGA byla aplikována různá offsetová teplota, protože jednu hodnotu offsetu nelze použít na všechny bloky. Následující obrázky ukazují výsledky.
Obrázek 12. Data pro Intel Stratix 10 Core Fabric
Obrázek 13. Data pro Intel FPGA H-Tile a L-Tile
Obrázek 14. Data pro Intel FPGA E-Tile
Obrázek 15. Data pro Intel FPGA P-Tile
Závěr
Existuje mnoho různých výrobců čipů pro snímání teploty. Společnost Intel důrazně doporučuje, abyste při výběru komponent vybrali čip pro snímání teploty s následujícími úvahami.
- Vyberte čip s konfigurovatelnou funkcí faktoru ideality.
- Vyberte čip, který má zrušení sériového odporu.
- Vyberte čip, který podporuje Beta kompenzaci.
- Vyberte kondenzátory, které odpovídají doporučením výrobce čipu.
- Po provedení teplotního profesionála použijte vhodnou kompenzacifile studie.
Na základě zvážení implementace a výsledků hodnocení musíte ve svém návrhu optimalizovat čip pro snímání teploty, abyste dosáhli přesnosti měření.
Historie revizí dokumentu pro AN 769: Průvodce implementací diody vzdáleného snímání teploty Intel FPGA
| Verze dokumentu | Změny |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Počáteční vydání. |
Intel Corporation. Všechna práva vyhrazena. Intel, logo Intel a další značky Intel jsou ochranné známky společnosti Intel Corporation nebo jejích dceřiných společností. Společnost Intel zaručuje výkon svých FPGA a polovodičových produktů podle aktuálních specifikací v souladu se standardní zárukou společnosti Intel, ale vyhrazuje si právo provádět změny jakýchkoli produktů a služeb kdykoli bez upozornění. Společnost Intel nepřebírá žádnou odpovědnost nebo závazky vyplývající z aplikace nebo použití jakýchkoli informací, produktů nebo služeb zde popsaných, s výjimkou případů, kdy je společnost Intel výslovně písemně odsouhlasena. Zákazníkům společnosti Intel se doporučuje získat nejnovější verzi specifikací zařízení předtím, než se budou spoléhat na jakékoli zveřejněné informace a než zadají objednávky na produkty nebo služby.
*Jiná jména a značky mohou být nárokovány jako vlastnictví jiných.
ISO
9001:2015
Registrovaný
Dokumenty / zdroje
 |
Dioda dálkového snímání teploty intel AN 769 FPGA [pdfUživatelská příručka AN 769 FPGA dioda dálkového snímání teploty, AN 769, dioda dálkového snímání teploty FPGA, dioda dálkového snímání teploty, dioda snímání teploty, snímací dioda |
