Intel AN 769 FPGA-Ferntemperaturerfassungsdiode

Einführung

In modernen elektronischen Anwendungen, insbesondere Anwendungen, die eine kritische Temperaturregelung erfordern, ist die On-Chip-Temperaturmessung von entscheidender Bedeutung.

Hochleistungssysteme verlassen sich auf genaue Temperaturmessungen für Innen- und Außenumgebungen.

• Optimieren Sie die Leistung
• Sorgen Sie für einen zuverlässigen Betrieb
• Beugen Sie Schäden an Bauteilen vor

Mit dem Intel® FPGA-Temperaturüberwachungssystem können Sie Chips von Drittanbietern verwenden, um die Sperrschichttemperatur (TJ) zu überwachen. Dieses externe Temperaturüberwachungssystem funktioniert auch dann, wenn das Intel FPGA ausgeschaltet oder nicht konfiguriert ist. Es gibt jedoch einige Dinge, die Sie berücksichtigen müssen, wenn Sie die Schnittstelle zwischen dem externen Chip und den Intel FPGA Remote Temperature Sensing Diodes (TSDs) entwerfen.
Wenn Sie einen Temperaturmesschip auswählen, achten Sie normalerweise auf die Temperaturgenauigkeit, die Sie erreichen möchten. Mit der neuesten Prozesstechnologie und einem anderen TSD-Ferndesign müssen Sie jedoch auch die integrierten Funktionen des Temperaturmesschips berücksichtigen, um Ihre Designgenauigkeitsanforderungen zu erfüllen.

Wenn Sie die Funktionsweise des Intel FPGA-Ferntemperaturmesssystems verstehen, können Sie:

• Entdecken Sie häufige Probleme mit Temperaturmessanwendungen.
• Wählen Sie den am besten geeigneten Temperaturmesschip aus, der Ihren Anwendungsanforderungen, Kosten und Entwicklungszeit entspricht.

Intel empfiehlt dringend, die On-Die-Temperatur mit lokalen TSDs zu messen, die von Intel validiert wurden. Intel kann die Genauigkeit externer Temperatursensoren unter verschiedenen Systembedingungen nicht validieren. Wenn Sie die Remote-TSDs mit externen Temperatursensoren verwenden möchten, befolgen Sie die Richtlinien in diesem Dokument und überprüfen Sie die Genauigkeit Ihres Temperaturmessaufbaus.

Dieser Anwendungshinweis gilt für die Remote-TSD-Implementierung für die Intel Stratix® 10 FPGA-Gerätefamilie.

Implementierung vorbeiview

Der externe Temperaturmesschip wird mit dem Intel FPGA Remote TSD verbunden. Der entfernte TSD ist ein als Diode geschalteter PNP- oder NPN-Transistor.

• Abbildung 1. Verbindung zwischen Temperaturerfassungschip und Intel FPGA Remote TSD (NPN-Diode)
• Abbildung 2. Verbindung zwischen Temperaturerfassungschip und Intel FPGA Remote TSD (PNP-Diode)

Die folgende Gleichung bildet die Temperatur eines Transistors bezogen auf das Basis-Emitter-Voltage (VBE).

• Gleichung 1. Beziehung zwischen der Temperatur des Transistors und der Basis-Emitter-Voltage (VBE)Wo:
  • T – Temperatur in Kelvin
  • q – die Elektronenladung (1.60 × 10−19 C)
  • VBE – Basis-Emitter-Voltage
  • k – Boltzmann-Konstante (1.38 × 10−23 J∙K−1)
  • IC – der Kollektorstrom
  • IS – der umgekehrte Sättigungsstrom
  • η – der Idealitätsfaktor der Ferndiode
    Wenn Sie Gleichung 1 umstellen, erhalten Sie die folgende Gleichung.

• Gleichung 2. VBE
  Typischerweise erzwingt der Temperaturerfassungschip zwei aufeinanderfolgende gut kontrollierte Ströme, I1 und I2, auf den P- und N-Pins. Der Chip misst und mittelt dann die Änderung der VBE der Diode. Das Delta in VBE ist direkt proportional zur Temperatur, wie in Gleichung 3 gezeigt.
• Gleichung 3. Delta in VBEWo:
  • n – erzwungenes Stromverhältnis
  • VBE1 – Basis-Emitter-Voltage bei I1
  • VBE2 – Basis-Emitter-Voltage bei I2

Implementierungsüberlegung

Durch die Auswahl des Temperaturmesschips mit den geeigneten Merkmalen können Sie den Chip optimieren, um eine Messgenauigkeit zu erreichen. Berücksichtigen Sie die Themen in den zugehörigen Informationen, wenn Sie den Chip auswählen.

Zugehörige Informationen

• Nichtübereinstimmung des Idealitätsfaktors (η-Faktor).
• Reihenwiderstandsfehler
• Beta-Variation der Temperaturdiode
• Differenzeingangskondensator
• Offset-Kompensation

Nichtübereinstimmung des Idealitätsfaktors (η-Faktor).

Wenn Sie eine Sperrschichttemperaturmessung mit einer externen Temperaturdiode durchführen, hängt die Genauigkeit der Temperaturmessung von den Eigenschaften der externen Diode ab. Der Idealitätsfaktor ist ein Parameter einer Remote-Diode, der die Abweichung der Diode von ihrem idealen Verhalten misst.
Den Idealitätsfaktor finden Sie meist im Datenblatt des Diodenherstellers. Verschiedene externe Temperaturdioden liefern aufgrund der unterschiedlichen Konstruktions- und Prozesstechnologien, die sie verwenden, unterschiedliche Werte.
Idealitätsfehlanpassungen können einen erheblichen Temperaturmessfehler verursachen. Um den erheblichen Fehler zu vermeiden, empfiehlt Intel, dass Sie einen Temperaturmesschip auswählen, der über einen konfigurierbaren Idealitätsfaktor verfügt. Sie können den Wert des Idealitätsfaktors im Chip ändern, um den Fehlanpassungsfehler zu beseitigen.

• ExampTeil 1. Beitrag des Idealitätsfaktors zum Temperaturmessfehler

Dieses Example zeigt, wie der Idealitätsfaktor zum Temperaturmessfehler beiträgt. Im Bspample, die Berechnung zeigt die Idealitätsfehlanpassung, die einen signifikanten Temperaturmessfehler verursacht.

• Gleichung 4. Verhältnis des Idealitätsfaktors zur gemessenen Temperatur

Wo:

• ηTSC – Idealitätsfaktor des Temperaturmesschips
• TTSC – vom Temperaturerfassungschip gelesene Temperatur
• ηRTD – Idealitätsfaktor der Ferntemperaturdiode
• TRTD – Temperatur an der Ferntemperaturdiode

Die folgenden Schritte schätzen die Temperaturmessung (TTSC) durch den Temperaturmesschip bei den folgenden Werten:

• Idealitätsfaktor des Temperatursensors (ηTSC) ist 1.005
• Der Idealitätsfaktor der Ferntemperaturdiode (ηRTD) beträgt 1.03
• Die tatsächliche Temperatur an der Ferntemperaturdiode (TRTD) beträgt 80 °C

 

1. Wandeln Sie die TRTD von 80 °C in Kelvin um: 80 + 273.15 = 353.15 K.
2. Wenden Sie Gleichung 4 an. Die vom Temperaturmesschip berechnete Temperatur beträgt 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
3. Rechnen Sie den berechneten Wert in Celsius um: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 °C Der Temperaturfehler (TE) verursacht durch die Idealitätsabweichung:
   TE = 71.43 °C – 80.0 °C = –8.57 °C

Reihenwiderstandsfehler

Der Serienwiderstand an den P- und N-Pins trägt zum Temperaturmessfehler bei.

Der Serienwiderstand kann sein aus:

• Der Innenwiderstand des P- und N-Pins der Temperaturdiode.
• Der Leiterbahnwiderstand der Platine, zample, eine lange Brettspur.

Der Serienwiderstand verursacht zusätzliche voltage am Temperaturerfassungspfad abfällt und zu Messfehlern führt, die die Genauigkeit der Temperaturmessung beeinträchtigen. Typischerweise tritt diese Situation auf, wenn Sie eine Temperaturmessung mit einem 2-Strom-Temperaturerfassungschip durchführen.

Abbildung 3. Interner und On-Board-SerienwiderstandUm den Temperaturfehler zu erklären, der entsteht, wenn der Serienwiderstand zunimmt, stellen einige Hersteller von Temperaturerfassungschips die Daten für den Temperaturfehler der Ferndiode gegenüber dem Widerstand bereit.
Sie können den Serienwiderstandsfehler jedoch eliminieren. Einige Temperaturerfassungschips verfügen über eine eingebaute Serienwiderstandsunterdrückungsfunktion. Die Serienwiderstandsunterdrückungsfunktion kann den Serienwiderstand von einem Bereich von einigen hundert Ω auf einen Bereich von über einigen tausend Ω eliminieren.
Intel empfiehlt, dass Sie bei der Auswahl des Temperaturerfassungschips die Serienwiderstandsunterdrückungsfunktion berücksichtigen. Die Funktion eliminiert automatisch den Temperaturfehler, der durch den Widerstand des Routings zum entfernten Transistor verursacht wird.

Beta-Variation der Temperaturdiode

Mit kleiner werdenden verfahrenstechnischen Geometrien sinkt der Beta(β)-Wert des PNP- bzw. NPN-Substrats.
Wenn der Beta-Wert der Temperaturdiode niedriger wird, insbesondere wenn der Kollektor der Temperaturdiode geerdet ist, wirkt sich der Beta-Wert auf das Stromverhältnis in Gleichung 3 auf Seite 5 aus. Daher ist die Aufrechterhaltung eines genauen Stromverhältnisses von entscheidender Bedeutung.
Einige Chips zur Temperaturerfassung verfügen über eine integrierte Beta-Kompensationsfunktion. Die Beta-Variation der Schaltung erfasst den Basisstrom und passt den Emitterstrom an, um die Variation zu kompensieren. Die Beta-Kompensation hält das Kollektorstromverhältnis aufrecht.

Abbildung 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode mit aktivierter MAX31730 Beta-Kompensation von Maxim Integrated*
Diese Abbildung zeigt, dass die Messgenauigkeit mit aktivierter Beta-Kompensation erreicht wird. Die Messungen wurden während des ausgeschalteten FPGA-Zustands durchgeführt – die eingestellten und gemessenen Temperaturen werden voraussichtlich nahe beieinander liegen.

	0˚C	50˚C	100˚C
Beta-Kompensation aus	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Beta-Kompensation ein	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Differenzeingangskondensator

Der Kondensator (CF) an den P- und N-Pins wirkt wie ein Tiefpassfilter, der dabei hilft, das Hochfrequenzrauschen zu filtern und die elektromagnetische Interferenz (EMI) zu verbessern.
Sie müssen bei der Kondensatorauswahl vorsichtig sein, da die große Kapazität die Anstiegszeit der geschalteten Stromquelle beeinflussen und einen großen Messfehler verursachen kann. Typischerweise gibt der Hersteller des Temperaturmesschips den empfohlenen Kapazitätswert in seinem Datenblatt an. Lesen Sie die Konstruktionsrichtlinien oder Empfehlungen des Kondensatorherstellers, bevor Sie den Kapazitätswert festlegen.

Abbildung 5. Differenzielle Eingangskapazität

Offset-Kompensation

Mehrere Faktoren können gleichzeitig zum Messfehler beitragen. Manchmal löst die Anwendung einer einzigen Kompensationsmethode das Problem möglicherweise nicht vollständig. Eine andere Methode zur Behebung des Messfehlers ist die Offset-Kompensation.

Notiz:  Intel empfiehlt die Verwendung eines Temperaturerfassungschips mit integrierter Offsetkompensation. Wenn der Temperatursensor-Chip diese Funktion nicht unterstützt, können Sie während der Nachbearbeitung eine Offset-Kompensation durch benutzerdefinierte Logik oder Software anwenden.
Die Offset-Kompensation ändert den Offset-Registerwert vom Temperaturerfassungschip, um den berechneten Fehler zu eliminieren. Um diese Funktion nutzen zu können, müssen Sie einen Temperaturtest durchführenfile Untersuchen und ermitteln Sie den anzuwendenden Offset-Wert.

Sie müssen Temperaturmessungen über den gewünschten Temperaturbereich mit den Standardeinstellungen des Temperaturerfassungschips erfassen. Führen Sie danach eine Datenanalyse wie im folgenden Beispiel durchample, um den anzuwendenden Offset-Wert zu bestimmen. Intel empfiehlt, dass Sie mehrere Temperaturmesschips mit mehreren Remote-Temperaturdioden testen, um sicherzustellen, dass Sie die Abweichungen von Teil zu Teil abdecken. Verwenden Sie dann den Messwertdurchschnitt in der Analyse, um die anzuwendenden Einstellungen zu bestimmen.
Sie können die zu testenden Temperaturpunkte basierend auf Ihren Systembetriebsbedingungen auswählen.

Gleichung 5. Offset-Faktor

ExampTeil 2. Anwendung der Offset-KompensationIn diesem Beispielample, eine Reihe von Temperaturmessungen wurde mit drei Temperaturpunkten gesammelt. Wenden Sie Gleichung 5 auf die Werte an und berechnen Sie den Offset-Faktor.

Tabelle 1. Erfasste Daten vor Anwendung der Offset-Kompensation

Temperatur einstellen		Gemessene 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

Verwenden Sie den Mittelpunkt des Temperaturbereichs, um die Offset-Temperatur zu berechnen. In diesem Bspample, der Mittelpunkt ist die eingestellte Temperatur von 50°C.
Offset-Temperatur

• = Offsetfaktor × ( Gemessene Temperatur−Solltemperatur )
• = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
• = 11.35

Wenden Sie den Offset-Temperaturwert und andere Kompensationsfaktoren, falls erforderlich, auf den Temperaturerfassungschip an und wiederholen Sie die Messung.

Tabelle 2. Erfasste Daten nach Anwendung der Offset-Kompensation

Temperatur einstellen	Gemessene Temperatur	Fehler
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Zugehörige Informationen
Ergebnisse der Auswertung
Bietet eine review der Bewertungsergebnisse des Offset-Kompensationsverfahrens mit Temperaturerfassungschips von Maxim Integrated* und Texas Instruments*.

Ergebnisse der Auswertung

Bei der Evaluierung wurden der MAX31730 von Maxim Integrated* und die TMP468-Evaluierungskits von Texas Instruments* modifiziert, um eine Schnittstelle mit den Ferntemperaturdioden mehrerer Blöcke im Intel FPGA herzustellen.

Tabelle 3. Evaluierte Blöcke und Platinenmodelle

Block	Temperaturerfassungs-Chip-Evaluierungsboard
	TMP468 von Texas Instruments	Maxim Integrate ds MAX31730
Intel Stratix 10-Core-Fabric	Ja	Ja
H-Fliese oder L-Fliese	Ja	Ja
E-Fliese	Ja	Ja
P-Fliese	Ja	Ja

Die folgenden Abbildungen zeigen den Aufbau des Intel FPGA-Boards mit den Evaluierungsboards von Maxim Integrated und Texas Instruments.

Abbildung 6. Einrichtung mit dem Evaluierungsboard MAX31730 von Maxim Integrate d

Abbildung 7. Setup mit dem TMP468 Evaluation Board von Texas Instruments

• Ein thermischer Treiber – oder alternativ können Sie eine Temperaturkammer verwenden – bedeckte und versiegelte das FPGA und erzwang die Temperatur gemäß dem eingestellten Temperaturpunkt.
• Während dieses Tests blieb das FPGA im stromlosen Zustand, um eine Wärmeentwicklung zu vermeiden.
• Die Haltezeit für jeden Temperaturtestpunkt betrug 30 Minuten.
• Die Einstellungen auf den Evaluierungskits verwendeten die Standardeinstellungen der Hersteller.
• Nach der Einrichtung wurden die Schritte in Offset-Kompensation auf Seite 10 zur Datenerfassung und -analyse befolgt.

Evaluierung mit dem MAX31730 Temperaturerfassungs-Chip-Evaluierungsboard von Maxim Integrated

Diese Bewertung wurde mit Setup-Schritten durchgeführt, wie in Offset-Kompensation beschrieben.
Die Daten wurden vor und nach Anwendung der Offset-Kompensation gesammelt. Unterschiedliche Offset-Temperaturen wurden auf verschiedene Intel FPGA-Blöcke angewendet, da ein einzelner Offset-Wert nicht auf alle Blöcke angewendet werden kann. Die folgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse.

Abbildung 8. Daten für Intel Stratix 10 Core Fabric

Abbildung 9. Daten für Intel FPGA H-Tile und L-Tile

Abbildung 10. Daten für Intel FPGA E-Tile

Abbildung 11. Daten für Intel FPGA P-Tile

Evaluierung mit dem TMP468 Temperature Sensing Chip Evaluierungsboard von Texas Instruments

Diese Bewertung wurde mit Setup-Schritten durchgeführt, wie in Offset-Kompensation beschrieben.
Die Daten wurden vor und nach Anwendung der Offset-Kompensation gesammelt. Unterschiedliche Offset-Temperaturen wurden auf verschiedene Intel FPGA-Blöcke angewendet, da ein einzelner Offset-Wert nicht auf alle Blöcke angewendet werden kann. Die folgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse.

Abbildung 12. Daten für Intel Stratix 10 Core Fabric

Abbildung 13. Daten für Intel FPGA H-Tile und L-Tile

Abbildung 14. Daten für Intel FPGA E-Tile

Abbildung 15. Daten für Intel FPGA P-Tile

Abschluss

Es gibt viele verschiedene Hersteller von Temperaturerfassungschips. Bei der Komponentenauswahl empfiehlt Intel dringend, dass Sie den Temperaturerfassungschip unter Berücksichtigung der folgenden Überlegungen auswählen.

1. Wählen Sie einen Chip mit konfigurierbarem Idealitätsfaktor aus.
2. Wählen Sie einen Chip mit Serienwiderstandsaufhebung.
3. Wählen Sie einen Chip aus, der die Beta-Kompensation unterstützt.
4. Wählen Sie Kondensatoren aus, die den Empfehlungen des Chipherstellers entsprechen.
5. Wenden Sie eine geeignete Kompensation an, nachdem Sie einen Temperaturtest durchgeführt habenfile Studie.

Basierend auf den Überlegungen zur Implementierung und den Bewertungsergebnissen müssen Sie den Temperaturerfassungschip in Ihrem Design optimieren, um eine Messgenauigkeit zu erreichen.

Dokumentrevisionsverlauf für AN 769: Intel FPGA Remote Temperature Sensing Diode Implementation Guide

Dokumentversion	Änderungen
2022.04.06	Die Berechnung der Temperatur des Temperaturerfassungschips im Thema über die Nichtübereinstimmung des Idealitätsfaktors wurde korrigiert. Korrektur der Offset-Temperaturberechnung zample im Thema Offsetkompensation.
2021.02.09	Erstveröffentlichung.

Intel Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Intel, das Intel-Logo und andere Intel-Marken sind Marken der Intel Corporation oder ihrer Tochtergesellschaften. Intel garantiert die Leistung seiner FPGA- und Halbleiterprodukte gemäß den aktuellen Spezifikationen gemäß Intels Standardgewährleistung, behält sich jedoch das Recht vor, jederzeit ohne Vorankündigung Änderungen an Produkten und Diensten vorzunehmen. Intel übernimmt keine Verantwortung oder Haftung, die sich aus der Anwendung oder Verwendung von hierin beschriebenen Informationen, Produkten oder Diensten ergeben, es sei denn, Intel hat ausdrücklich schriftlich zugestimmt. Intel-Kunden wird empfohlen, die neueste Version der Gerätespezifikationen zu beschaffen, bevor sie sich auf veröffentlichte Informationen verlassen und bevor sie Produkte oder Dienstleistungen bestellen.
*Andere Namen und Marken können Eigentum Dritter sein.

ISO
9001:2015
Eingetragen

Dokumente / Ressourcen

Intel AN 769 FPGA-Ferntemperaturerfassungsdiode [pdf] Benutzerhandbuch AN 769 FPGA-Ferntemperaturerfassungsdiode, AN 769, FPGA-Ferntemperaturerfassungsdiode, Ferntemperaturerfassungsdiode, Temperaturerfassungsdiode, Erfassungsdiode

Verweise

• Bedienungsanleitung