intel AN 769 FPGA fjernbetjening temperaturfølende diode brugervejledning

Intel® FPGA temperaturovervågningssystem giver dig mulighed for at bruge tredjepartschips til at overvåge overgangstemperaturen (TJ). Dette eksterne temperaturovervågningssystem fungerer, selvom Intel FPGA er slukket eller ikke er konfigureret. Der er dog flere ting, du skal overveje, når du designer grænsefladen mellem den eksterne chip og Intel FPGA-fjerntemperaturfølende dioder (TSD'er).
Når du vælger en temperaturfølende chip, vil du typisk se på den temperaturnøjagtighed, du ønsker at opnå. Men med den nyeste procesteknologi og et anderledes fjerntliggende TSD-design, skal du også overveje temperaturfølende chippens indbyggede funktioner for at opfylde dine krav til designnøjagtighed.

Ved at forstå, hvordan Intel FPGA-fjerntemperaturmålingssystemet fungerer, kan du:

Opdag almindelige problemer med temperaturregistreringsapplikationer.
Vælg den mest passende temperaturfølende chip, der opfylder dine applikationsbehov, omkostninger og designtid.

Intel anbefaler kraftigt, at du måler temperaturen på matricen ved hjælp af lokale TSD'er, som Intel har valideret. Intel kan ikke validere nøjagtigheden af eksterne temperatursensorer under forskellige systemforhold. Hvis du vil bruge fjernbetjenings-TSD'erne med eksterne temperatursensorer, skal du følge retningslinjerne i dette dokument og validere nøjagtigheden af din temperaturmålingsopsætning.

Denne applikationsnote gælder for fjern-TSD-implementering til Intel Stratix® 10 FPGA-enhedsfamilien.

Implementering overståetview

Den eksterne temperaturfølende chip forbindes til Intel FPGA fjernbetjeningen TSD. Den eksterne TSD er en PNP- eller NPN-diodeforbundet transistor.

Figur 1. Forbindelse mellem temperaturfølende chip og Intel FPGA Remote TSD (NPN Diode)

Figur 2. Forbindelse mellem temperaturfølende chip og Intel FPGA Remote TSD (PNP Diode)

Følgende ligning danner temperaturen af en transistor i forhold til base-emitter voltage (VBE).

Ligning 1. Relation Between Temperature of Transistor to Base-Emitter Voltage (VBE)Hvor:
- T—Temperatur i Kelvin
- q – elektronladningen (1.60 × 10−19 C)
- VBE—base-emitter voltage
- k—Boltzmann konstant (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC—kollektorstrømmen
- IS - den omvendte mætningsstrøm
- η - idealitetsfaktoren for fjerndioden
  Hvis du omarrangerer ligning 1, får du følgende ligning.

Ligning 2. VBE
Typisk tvinger temperaturfølerchippen to på hinanden følgende velkontrollerede strømme, I1 og I2 på P- og N-benene. Chippen måler og danner et gennemsnit af ændringen af diodens VBE. Deltaet i VBE er direkte proportionalt med temperaturen, som vist i ligning 3.
Ligning 3. Delta i VBEHvor:
- n—tvungen strømforhold
- VBE1—base-emitter voltage ved I1
- VBE2—base-emitter voltage ved I2

Implementeringsovervejelser

Ved at vælge den temperaturfølende chip med de passende funktioner kan du optimere chippen for at opnå målenøjagtighed. Overvej emnerne i de relaterede oplysninger, når du vælger chippen.

Relateret information

Idealitetsfaktor (η-faktor) Mismatch
Seriemodstandsfejl
Temperatur Diode Beta Variation
Differential indgangskondensator
Offset kompensation

Idealitetsfaktor (η-faktor) Mismatch

Når du udfører junction temperaturmåling ved at bruge en ekstern temperaturdiode, afhænger temperaturmålingens nøjagtighed af den eksterne diodes egenskaber. Idealitetsfaktoren er en parameter for en fjerndiode, der måler diodens afvigelse fra dens ideelle adfærd.
Du kan normalt finde idealitetsfaktoren i databladet fra diodeproducenten. Forskellige eksterne temperaturdioder giver dig forskellige værdier på grund af de forskellige design- og procesteknologier, de bruger.
Idealitetsmismatch kan forårsage en betydelig temperaturmålingsfejl. For at undgå den væsentlige fejl anbefaler Intel, at du vælger en temperaturfølende chip, der har en konfigurerbar idealitetsfaktor. Du kan ændre idealitetsfaktorværdien i chippen for at eliminere mismatch-fejlen.

Example 1. Idealitetsfaktor Bidrag til temperaturmålingsfejl

Denne example viser, hvordan idealitetsfaktor bidrager til temperaturmålingsfejlen. I example, viser beregningen idealitetsmismatchet, hvilket forårsager en signifikant temperaturmålingsfejl.

Ligning 4. Idealitetsfaktor forhold til målt temperatur

Hvor:

ηTSC—idealitetsfaktor for temperaturregistreringschippen
TTSC – temperatur aflæst af temperaturfølerchippen
ηRTD—idealitetsfaktor for fjerntemperaturdioden
TRTD—temperatur ved fjerntemperaturdioden

Følgende trin estimerer temperaturmåling (TTSC) af temperaturfølerchippen, givet følgende værdier:

Idealitetsfaktoren for temperaturføleren (ηTSC) er 1.005
Idealitetsfaktoren for fjerntemperaturdioden (ηRTD) er 1.03
Faktisk temperatur ved fjerntemperaturdioden (TRTD) er 80°C

Konverter TRTD på 80°C til Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
Anvend ligning 4. Den beregnede temperatur af temperaturfølerchippen er 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03

Konverter den beregnede værdi til Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Temperaturfejlen (TE) forårsaget af idealitetsmismatch:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Seriemodstandsfejl

Seriemodstanden på P- og N-benene bidrager til temperaturmålingsfejl.

Seriemodstanden kan være fra:

Den indre modstand af temperaturdiodens P- og N-ben.
Bræddens spormodstand, f.eksample, et langt brætspor.

Seriemodstanden forårsager yderligere voltage falder ved temperaturregistreringsvejen og resulterer i målefejl, hvilket påvirker nøjagtigheden af temperaturmålingen. Typisk sker denne situation, når du udfører temperaturmåling med en 2-strøms temperaturfølende chip.

Figur 3. Intern og indbygget seriemodstandFor at forklare temperaturfejlen, der opstår, når seriemodstanden stiger, leverer en producent af temperaturfølende chip dataene for den eksterne diodetemperaturfejl kontra modstanden.
Du kan dog eliminere seriemodstandsfejlen. Nogle temperaturfølende chip har indbygget seriemodstandsannulleringsfunktion. Seriemodstandsannulleringsfunktionen kan eliminere seriemodstanden fra et område på nogle få hundrede Ω til et område, der overstiger et par tusinde Ω.
Intel anbefaler, at du overvejer funktionen til annullering af seriemodstand, når du vælger temperaturfølerchippen. Funktionen eliminerer automatisk temperaturfejlen forårsaget af modstanden i routingen til fjerntransistoren.

Temperatur Diode Beta Variation

Efterhånden som procesteknologigeometrierne bliver mindre, falder Beta(β)-værdien af PNP- eller NPN-substratet.
Da temperaturdiodens Beta-værdi bliver lavere, især hvis temperaturdiodekollektoren er bundet til jorden, påvirker Beta-værdien strømforholdet på ligning 3 på side 5. Derfor er det afgørende at opretholde et nøjagtigt strømforhold.
Nogle temperaturfølende chips har indbygget Beta-kompensationsfunktion. Beta-variationen af kredsløbet registrerer basisstrømmen og justerer emitterstrømmen for at kompensere for variationen. Beta-kompensationen opretholder kollektorstrømforholdet.

Figur 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode med Maxim Integreret*'s MAX31730 Beta Compensation aktiveret
Denne figur viser, at målenøjagtigheden opnås med Beta-kompensation aktiveret. Målingerne blev taget under FPGA-slukningstilstand - de indstillede og målte temperaturer forventes at være tæt på.

	0˚C	50˚C	100˚C
Beta-kompensation fra	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Beta-kompensation er slået til	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Differential indgangskondensator

Kondensatoren (CF) på P- og N-benene fungerer som et lavpasfilter, der hjælper med at filtrere højfrekvent støj og forbedre den elektromagnetiske interferens (EMI).
Du skal være forsigtig ved valg af kondensator, fordi den store kapacitans kan påvirke stigningstiden for den skiftede strømkilde og introducere en enorm målefejl. Typisk angiver producenten af temperaturfølende chip den anbefalede kapacitansværdi i deres datablad. Se kondensatorproducentens designretningslinjer eller anbefaling, før du beslutter dig for kapacitansværdien.

Figur 5. Differentiel indgangskapacitet

Offset kompensation

Flere faktorer kan bidrage til målefejlen samtidigt. Nogle gange løser det måske ikke helt problemet at anvende en enkelt kompensationsmetode. En anden metode til at løse målefejlen er at anvende offsetkompensation.

Note: Intel anbefaler, at du bruger en temperaturfølende chip med indbygget offsetkompensation. Hvis temperaturfølerchippen ikke understøtter funktionen, kan du anvende offsetkompensation under efterbehandling via brugerdefineret logik eller software.
Offsetkompensation ændrer offsetregisterværdien fra temperaturfølerchippen for at eliminere den beregnede fejl. For at bruge denne funktion skal du udføre en temperaturprofile undersøge og identificere den offsetværdi, der skal anvendes.

Du skal indsamle temperaturmålinger på tværs af det ønskede temperaturområde med standardindstillingerne for temperaturfølerchippen. Udfør derefter dataanalyse som i følgende f.eksample for at bestemme den offsetværdi, der skal anvendes. Intel anbefaler, at du tester flere temperaturfølende chips med flere fjerntemperaturdioder for at sikre, at du dækker del-til-del-variationerne. Brug derefter målingsgennemsnittet i analysen til at bestemme de indstillinger, der skal anvendes.
Du kan vælge de temperaturpunkter, der skal testes, baseret på systemets driftstilstand.

Ligning 5. Offsetfaktor

Example 2. Anvendelse af OffsetkompensationI denne example, et sæt temperaturmålinger blev indsamlet med tre temperaturpunkter. Anvend ligning 5 på værdierne og beregn offsetfaktoren.

Tabel 1. Data indsamlet før anvendelse af offsetkompensation

Indstil temperatur		Målt temperatur
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

Brug midtpunktet i temperaturområdet til at beregne offsettemperaturen. I dette example, midtpunktet er den indstillede temperatur på 50°C.
Offset temperatur

= Offset faktor × (Målt temperatur-Set temperatur)
= 0.9975 × (334.53 − 323.15)
= 11.35

Anvend om nødvendigt den offset temperaturværdi og andre kompensationsfaktorer på temperaturfølerchippen og gentag målingen.

Tabel 2. Data indsamlet efter anvendelse af offsetkompensation

Indstil temperatur	Målt temperatur	Fejl
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Relateret information
Evalueringsresultater
Giver en vedrview af evalueringsresultaterne af offset-kompensationsmetoden med Maxim Integrated* og Texas Instruments* temperaturfølende chips.

Evalueringsresultater

I evalueringen blev Maxim Integrated*'s MAX31730 og Texas Instruments*'s TMP468-evalueringssæt modificeret til at forbinde med fjerntemperaturdioderne i flere blokke i Intel FPGA.

Tabel 3. Evaluerede blokke og tavlemodeller

Blok	Temperaturfølende Chip Evaluering Board
Blok	Texas Instruments' TMP468	Maxim Integrate d's MAX31730
Intel Stratix 10 kerne stof	Ja	Ja
H-flise eller L-flise	Ja	Ja
E-flise	Ja	Ja
P-flise	Ja	Ja

De følgende figurer viser opsætningen af Intel FPGA-kortet med Maxim Integrated og Texas Instruments-evalueringskortene.

Figur 6. Opsætning med Maxim Integrate d's MAX31730 Evaluation Board

Figur 7. Opsætning med Texas Instruments' TMP468 Evaluation Board

En termisk forcering - eller alternativt kan du bruge et temperaturkammer - dækkede og forseglede FPGA'en og fremtvang temperaturen i henhold til det indstillede temperaturpunkt.
Under denne test forblev FPGA'en i strømløs tilstand for at undgå, at den genererede varme.
Iblødsætningstiden for hvert temperaturtestpunkt var 30 minutter.
Indstillingerne på evalueringssættene brugte standardindstillingerne fra producenterne.
Efter opsætningen blev trinene i Offset Compensation på side 10 fulgt for dataindsamling og analyse.

Evaluering med Maxim Integrateds MAX31730 temperaturfølende chip-evalueringskort

Denne evaluering blev udført med opsætningstrin som beskrevet i Offset Compensation.
Dataene blev indsamlet før og efter anvendelsen af offsetkompensationen. Forskellige offset-temperaturer blev anvendt på forskellige Intel FPGA-blokke, fordi en enkelt offset-værdi ikke kan anvendes på alle blokke. Følgende figurer viser resultaterne.

Figur 8. Data for Intel Stratix 10 Core Fabric

Figur 9. Data for Intel FPGA H-Tile og L-Tile

Figur 10. Data for Intel FPGA E-Tile

Figur 11. Data for Intel FPGA P-Tile

Evaluering med Texas Instruments' TMP468 temperaturfølende chip-evalueringskort

Figur 12. Data for Intel Stratix 10 Core Fabric

Figur 13. Data for Intel FPGA H-Tile og L-Tile

Figur 14. Data for Intel FPGA E-Tile

Figur 15. Data for Intel FPGA P-Tile

Konklusion

Der er mange forskellige producenter af temperaturfølende chip. Under komponentvalg anbefaler Intel kraftigt, at du vælger temperaturfølerchippen med følgende overvejelser.

Vælg en chip med konfigurerbar idealitetsfaktorfunktion.
Vælg en chip, der har seriemodstandsannullering.
Vælg en chip, der understøtter Beta-kompensation.
Vælg kondensatorer, der matcher chipproducentens anbefalinger.
Anvend enhver passende kompensation efter at have udført en temperaturprofile studere.

Baseret på implementeringsovervejelsen og evalueringsresultaterne skal du optimere temperaturregistreringschippen i dit design for at opnå målenøjagtighed.

Dokumentrevisionshistorik for AN 769: Implementeringsvejledning til Intel FPGA-fjerntemperaturfølende diode

Dokumentversion	Ændringer
2022.04.06	Korrigerede temperaturmålingschiptemperaturberegningen i emnet om idealitetsfaktormismatch. Korrigerede offset temperaturberegningen example i emnet om modkompensation.
2021.02.09	Første udgivelse.

Intel Corporation. Alle rettigheder forbeholdes. Intel, Intel-logoet og andre Intel-mærker er varemærker tilhørende Intel Corporation eller dets datterselskaber. Intel garanterer ydeevnen af sine FPGA- og halvlederprodukter i henhold til de aktuelle specifikationer i overensstemmelse med Intels standardgaranti, men forbeholder sig retten til at foretage ændringer af produkter og tjenester til enhver tid uden varsel. Intel påtager sig intet ansvar eller erstatningsansvar som følge af applikationen eller brugen af oplysninger, produkter eller tjenester beskrevet heri, undtagen som udtrykkeligt skriftligt aftalt af Intel. Intel-kunder rådes til at indhente den seneste version af enhedsspecifikationerne, før de stoler på nogen offentliggjort information, og før de afgiver ordrer på produkter eller tjenester.
*Andre navne og mærker kan hævdes at være andres ejendom.

ISO
9001:2015
Registreret

Dokumenter/ressourcer

intel AN 769 FPGA fjerntemperaturfølende diode [pdfBrugervejledning
AN 769 FPGA fjerntemperaturfølende diode, AN 769, FPGA fjerntemperaturfølende diode, fjerntemperaturfølende diode, temperaturfølende diode, følerdiode

Referencer

Brugermanual

intel AN 769 FPGA fjerntemperaturfølende diode

Indledning