intel AN 769 FPGA Remote Temperature Sensing Diode

Sissejuhatus

Kaasaegsetes elektroonilistes rakendustes, eriti rakendustes, mis nõuavad kriitilist temperatuuri reguleerimist, on kiibil olev temperatuuri mõõtmine ülioluline.

Suure jõudlusega süsteemid põhinevad sise- ja väliskeskkonna täpsetel temperatuurimõõtmistel.

• Optimeerige jõudlust
• Tagada töökindel töö
• Vältige komponentide kahjustamist

Intel® FPGA temperatuuri jälgimise süsteem võimaldab teil kasutada kolmanda osapoole kiipe, et jälgida ristmiku temperatuuri (TJ). See väline temperatuuri jälgimise süsteem töötab isegi siis, kui Inteli FPGA on välja lülitatud või konfigureerimata. Välise kiibi ja Inteli FPGA kaugseiredioodide (TSD) vahelise liidese kavandamisel peate siiski arvestama mitme asjaga.
Temperatuurianduri kiibi valimisel vaatate tavaliselt temperatuuri täpsust, mida soovite saavutada. Uusima protsessitehnoloogia ja teistsuguse kaugjuhtimispuldi TSD-disaini puhul peate aga arvestama ka temperatuurianduri kiibi sisseehitatud funktsioonidega, et vastata oma disaini täpsuse nõuetele.

Inteli FPGA temperatuuri kaugmõõtmissüsteemi toimimisest aru saades saate:

• Avastage temperatuurianduri rakendustega seotud levinud probleemid.
• Valige kõige sobivam temperatuurianduri kiip, mis vastab teie rakenduse vajadustele, kuludele ja projekteerimisajale.

Intel soovitab tungivalt mõõta stantsi temperatuuri kohalike TSD-de abil, mille Intel on valideerinud. Intel ei saa kontrollida väliste temperatuuriandurite täpsust erinevates süsteemitingimustes. Kui soovite kasutada kaug-TSD-sid koos väliste temperatuurianduritega, järgige selles dokumendis toodud juhiseid ja kontrollige oma temperatuuri mõõtmise seadistuste täpsust.

See rakenduse märkus kehtib Intel Stratix® 10 FPGA seadmeperekonna TSD kaugrakenduse kohta.

Rakendamine läbiview

Välise temperatuurianduri kiip ühendub Inteli FPGA kaug-TSD-ga. Kaug-TSD on PNP või NPN dioodiga ühendatud transistor.

• Joonis 1. Ühendus temperatuurianduri kiibi ja Inteli FPGA kaug-TSD (NPN-dioodi) vahel
• Joonis 2. Ühendus temperatuurianduri kiibi ja Inteli FPGA kaug-TSD (PNP-dioodi) vahel

Järgnev võrrand moodustab transistori temperatuuri baasemitteri mahu suhtestage (VBE).

• 1. võrrand. Transistori ja baasemitteri temperatuuri suhe voltage (VBE)Kus:
  • T – temperatuur kelvinites
  • q – elektronide laeng (1.60 × 10–19 C)
  • VBE – baas-emitter voltage
  • k – Boltzmanni konstant (1.38 × 10–23 J∙K–1)
  • IC - kollektori vool
  • IS – vastupidine küllastusvool
  • η – kaugdioodi ideaaltegur
    Võrrandi 1 ümberkorraldamisel saate järgmise võrrandi.

• Võrrand 2. VBE
  Tavaliselt sunnib temperatuuriandur kiip P ja N kontaktidele kaks järjestikust hästi juhitavat voolu, I1 ja I2. Seejärel mõõdab ja keskmistab kiip dioodi VBE muutuse. VBE delta on otseselt võrdeline temperatuuriga, nagu on näidatud võrrandis 3.
• Võrrand 3. Delta VBE-sKus:
  • n — sundvoolu suhe
  • VBE1 – baas-emitter voltage kell I1
  • VBE2 – baas-emitter voltage kell I2

Rakendamise kaalumine

Sobivate funktsioonidega temperatuuriandurkiibi valimine võimaldab optimeerida kiipi mõõtmistäpsuse saavutamiseks. Kiibi valimisel arvestage seotud teabe teemadega.

Seotud teave

• Ideaalsusteguri (η-faktor) mittevastavus
• Seeria takistuse viga
• Temperatuuri dioodi beeta variatsioon
• Diferentsiaalsisendkondensaator
• Tasaarvestus

Ideaalsusteguri (η-faktor) mittevastavus

Kui teostate ristmiku temperatuuri mõõtmist välise temperatuuridioodiga, sõltub temperatuuri mõõtmise täpsus välise dioodi omadustest. Ideaalsustegur on kaugdioodi parameeter, mis mõõdab dioodi kõrvalekallet ideaalsest käitumisest.
Ideaalsusteguri leiate tavaliselt diooditootja andmelehelt. Erinevad välistemperatuuri dioodid annavad teile erinevaid väärtusi nende kasutatavate erinevate disaini- ja protsessitehnoloogiate tõttu.
Ideaalsuse mittevastavus võib põhjustada olulise temperatuuri mõõtmise vea. Olulise vea vältimiseks soovitab Intel valida temperatuurianduri kiibi, millel on konfigureeritav ideaaltegur. Mittevastavuse vea kõrvaldamiseks saate kiibis muuta ideaalteguri väärtust.

• Example 1. Ideaalsusteguri panus temperatuuri mõõtmise veasse

See eksample näitab, kuidas ideaaltegur aitab kaasa temperatuuri mõõtmise veale. Eksisample, näitab arvutus ideaalsuse mittevastavust, mis põhjustab olulise temperatuuri mõõtmise vea.

• 4. võrrand. Ideaalsusteguri seos mõõdetud temperatuuriga

Kus:

• ηTSC – temperatuurianduri kiibi ideaalsustegur
• TTSC – temperatuurianduri kiibi poolt loetud temperatuur
• ηRTD — kaugtemperatuuri dioodi ideaalsustegur
• TRTD – temperatuur kaugjuhtimistemperatuuri dioodil

Järgmised sammud hindavad temperatuuri mõõtmist (TTSC) temperatuurianduri kiibi abil, võttes arvesse järgmisi väärtusi:

• Temperatuurianduri (ηTSC) ideaalsustegur on 1.005
• Kaugtemperatuuri dioodi (ηRTD) ideaalsustegur on 1.03
• Tegelik temperatuur kaugtemperatuuri dioodil (TRTD) on 80 °C

 

1. Teisendage 80 °C TRTD Kelviniteks: 80 + 273.15 = 353.15 K.
2. Rakendage võrrand 4. Temperatuurianduri kiibi arvutatud temperatuur on 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
3. Teisendage arvutatud väärtus Celsiuse kraadidesse: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 °C Ideaalsuse mittevastavuse põhjustatud temperatuuriviga (TE):
   TE = 71.43 °C – 80.0 °C = –8.57 °C

Seeria takistuse viga

P- ja N-tihvtide jadatakistus aitab kaasa temperatuuri mõõtmise veale.

Seeria takistus võib olla:

• Temperatuuridioodi P ja N kontakti sisetakistus.
• Tahvli jäljekindlus, ntample, pikk lauajälg.

Seeriatakistus põhjustab täiendava voltage langeb temperatuuri andurajal ja põhjustab mõõtmisvea, mis mõjutab temperatuuri mõõtmise täpsust. Tavaliselt juhtub see olukord siis, kui mõõdate temperatuuri 2-voolulise temperatuurianduri kiibiga.

Joonis 3. Sisemine ja parda seeria takistusJadatakistuse suurenemisel tekkiva temperatuurivea selgitamiseks esitab mõni temperatuuriandurkiibi tootja andmed dioodi kaugjuhtimispuldi temperatuurivea ja takistuse kohta.
Siiski saate seeria takistuse vea kõrvaldada. Mõnel temperatuurianduri kiibil on sisseehitatud seeria takistuse tühistamise funktsioon. Jadatakistuse tühistamise funktsioon võib kõrvaldada jadatakistuse vahemikust mõnesajast Ω kuni vahemikku üle paari tuhande Ω.
Intel soovitab temperatuurianduri kiibi valimisel arvestada seeria takistuse tühistamise funktsiooniga. Funktsioon kõrvaldab automaatselt temperatuurivea, mis on põhjustatud marsruudi takistusest kaugtransistorile.

Temperatuuri dioodi beeta variatsioon

Kuna protsessitehnoloogia geomeetria väheneb, väheneb PNP või NPN substraadi beeta (β) väärtus.
Temperatuuridioodi beetaväärtuse langedes, eriti kui temperatuuridioodi kollektor on maapinnaga seotud, mõjutab beetaväärtus voolusuhet leheküljel 3 olevas võrrandis 5. Seetõttu on täpse voolusuhte säilitamine ülioluline.
Mõnel temperatuurianduri kiibil on sisseehitatud beeta kompensatsioonifunktsioon. Skeemi beetavariatsioon tuvastab baasvoolu ja reguleerib emitteri voolu variatsiooni kompenseerimiseks. Beeta kompensatsioon säilitab kollektori voolu suhte.

Joonis 4. Intel Stratix 10 tuumaga kanga temperatuuridiood koos Maxim Integrated* MAX31730 beeta kompensatsiooniga
See joonis näitab, et mõõtmise täpsus saavutatakse sisselülitatud beetakompensatsiooniga. Mõõtmised tehti FPGA väljalülitamise ajal – seatud ja mõõdetud temperatuurid on eeldatavasti lähedased.

	0˚C	50˚C	100˚C
Beeta kompensatsioon väljas	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Beeta kompensatsioon sees	-0.6875 ˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Diferentsiaalsisendkondensaator

P- ja N-kontaktidel olev kondensaator (CF) toimib madalpääsfiltrina, mis aitab filtreerida kõrgsageduslikku müra ja parandada elektromagnetilisi häireid (EMI).
Kondensaatori valimisel tuleb olla ettevaatlik, sest suur mahtuvus võib mõjutada lülitatud vooluallika tõusuaega ja tuua kaasa tohutu mõõtmisvea. Tavaliselt esitab temperatuurianduri kiibi tootja oma andmelehel soovitatava mahtuvuse väärtuse. Enne mahtuvuse väärtuse määramist lugege kondensaatori tootja projekteerimisjuhiseid või soovitusi.

Joonis 5. Diferentsiaalne sisendmahtuvus

Tasaarvestus

Mõõtmisveale võivad üheaegselt kaasa aidata mitmed tegurid. Mõnikord ei pruugi ühe kompensatsioonimeetodi rakendamine probleemi täielikult lahendada. Teine meetod mõõtmisvea lahendamiseks on nihkekompensatsiooni rakendamine.

Märkus.  Intel soovitab kasutada sisseehitatud nihkekompensatsiooniga temperatuurianduri kiipi. Kui temperatuurianduri kiip seda funktsiooni ei toeta, võite kohandatud loogika või tarkvara abil järeltöötluse ajal rakendada nihkekompensatsiooni.
Nihkekompensatsioon muudab temperatuurianduri kiibi nihkeregistri väärtust, et kõrvaldada arvutatud viga. Selle funktsiooni kasutamiseks peate tegema temperatuuri profile uurige ja määrake rakendatav nihkeväärtus.

Peate koguma temperatuuri mõõtmisi soovitud temperatuurivahemikus temperatuurianduri kiibi vaikeseadetega. Seejärel viige läbi andmete analüüs nagu järgmises näitesample rakendatava nihkeväärtuse määramiseks. Intel soovitab testida mitut temperatuurianduri kiipi mitme temperatuuri kaugdioodiga, et tagada osadevahelised erinevused. Seejärel kasutage rakendatavate sätete määramiseks analüüsis mõõtmiste keskmist.
Saate valida testitavad temperatuuripunktid süsteemi töötingimuste põhjal.

Võrrand 5. Nihketegur

Example 2. Tasaarvestuse hüvitise rakendamineSelles eksample koguti kolme temperatuuripunktiga temperatuurimõõtmiste komplekt. Rakendage väärtustele võrrand 5 ja arvutage nihketegur.

Tabel 1. Enne tasaarvestuse hüvitise rakendamist kogutud andmed

Temperatuuri määramine		Mõõdetud temperatuur
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

Nihketemperatuuri arvutamiseks kasutage temperatuurivahemiku keskpunkti. Selles eksample, keskmine punkt on seatud temperatuur 50°C.
Nihke temperatuur

• = Nihketegur × (Mõõdetud temperatuur–Seadistatud temperatuur)
• = 0.9975 × (334.53–323.15)
• = 11.35

Rakendage temperatuurianduri kiibile nihke temperatuuri väärtus ja vajaduse korral muud kompensatsioonitegurid ja tehke mõõtmine uuesti.

Tabel 2. Andmed, mis on kogutud pärast tasaarvestuse hüvitise rakendamist

Temperatuuri määramine	Mõõdetud temperatuur	Viga
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Seotud teave
Hindamise tulemused
Pakub review nihkekompensatsiooni meetodi hindamistulemustest Maxim Integrated* ja Texas Instruments* temperatuuriandurikiipidega.

Hindamise tulemused

Hindamisel muudeti Maxim Integrated*i MAX31730 ja Texas Instrumentsi* hindamiskomplekte TMP468, et need saaksid liidestuda Inteli FPGA mitme ploki kaugtemperatuuri dioodidega.

Tabel 3. Hinnatud plokid ja tahvlimudelid

Blokeeri	Temperatuurianduri kiibi hindamislaud
	Texas Instrumentsi TMP468	Maxim Integrate d's MAX31730
Intel Stratix 10 südamikuga kangas	Jah	Jah
H-plaat või L-plaat	Jah	Jah
E-plaat	Jah	Jah
P-plaat	Jah	Jah

Järgmised joonised näitavad Inteli FPGA plaadi seadistamist koos Maxim Integrated ja Texas Instrumentsi hindamisplaatidega.

Joonis 6. Seadistamine Maxim Integrate d's MAX31730 hindamispaneeliga

Joonis 7. Seadistamine Texas Instrumentsi TMP468 hindamispaneeliga

• Termoforcer – või alternatiivina võite kasutada temperatuurikambrit – kattis ja pitseeris FPGA ning surus temperatuuri vastavalt seatud temperatuuripunktile.
• Selle katse ajal jäi FPGA vooluta, et vältida kuumuse teket.
• Iga temperatuuri katsepunkti leotamisaeg oli 30 minutit.
• Hindamiskomplektide seadistustes kasutati tootjate vaikesätteid.
• Pärast häälestamist järgiti andmete kogumiseks ja analüüsimiseks jaotises Nihke kompenseerimine lk 10 toodud samme.

Hindamine Maxim Integratedi MAX31730 temperatuurianduri kiibi hindamisplaadiga

See hindamine viidi läbi seadistamisetappidega, nagu on kirjeldatud jaotises Offset Compensation.
Andmed koguti enne ja pärast tasaarveldushüvitise rakendamist. Erinevatele Inteli FPGA plokkidele rakendati erinevat nihketemperatuuri, kuna kõikidele plokkidele ei saa rakendada ühte nihkeväärtust. Järgmised joonised näitavad tulemusi.

Joonis 8. Andmed Intel Stratix 10 Core Fabric'i kohta

Joonis 9. Intel FPGA H-Tile ja L-Tile andmed

Joonis 10. Andmed Intel FPGA E-Tile jaoks

Joonis 11. Andmed Intel FPGA P-Tile jaoks

Hindamine Texas Instrumentsi TMP468 temperatuurianduri kiibi hindamispaneeliga

See hindamine viidi läbi seadistamisetappidega, nagu on kirjeldatud jaotises Offset Compensation.
Andmed koguti enne ja pärast tasaarveldushüvitise rakendamist. Erinevatele Inteli FPGA plokkidele rakendati erinevat nihketemperatuuri, kuna kõikidele plokkidele ei saa rakendada ühte nihkeväärtust. Järgmised joonised näitavad tulemusi.

Joonis 12. Andmed Intel Stratix 10 Core Fabric'i kohta

Joonis 13. Intel FPGA H-Tile ja L-Tile andmed

Joonis 14. Andmed Intel FPGA E-Tile jaoks

Joonis 15. Andmed Intel FPGA P-Tile jaoks

Järeldus

Erinevaid temperatuuriandurkiipide tootjaid on palju. Komponentide valimisel soovitab Intel tungivalt valida temperatuurianduri kiibi järgmiste kaalutlustega.

1. Valige konfigureeritava ideaalteguri funktsiooniga kiip.
2. Valige kiip, millel on seeria takistuse tühistamine.
3. Valige kiip, mis toetab beetakompensatsiooni.
4. Valige kondensaatorid, mis vastavad kiibi tootja soovitustele.
5. Pärast temperatuuriprotsenti rakendamist rakendage sobivat kompensatsioonifile uuring.

Rakenduse kaalutluste ja hindamistulemuste põhjal peate mõõtmise täpsuse saavutamiseks optimeerima oma disainis temperatuurianduri kiipi.

AN 769 dokumendi läbivaatamise ajalugu: Inteli FPGA kauganduri temperatuurianduri dioodi rakendamise juhend

Dokumendi versioon	Muudatused
2022.04.06	Parandasin ideaalsusteguri mittevastavuse teemas temperatuurianduri kiibi temperatuuriarvutust. Parandatud nihke temperatuuri arvutus ntample teemas tasaarvestuse hüvitamise kohta.
2021.02.09	Esialgne vabastamine.

Intel Corporation. Kõik õigused kaitstud. Intel, Inteli logo ja muud Inteli kaubamärgid on Intel Corporationi või selle tütarettevõtete kaubamärgid. Intel garanteerib oma FPGA ja pooljuhttoodete toimimise praeguste spetsifikatsioonide kohaselt vastavalt Inteli standardgarantiile, kuid jätab endale õiguse teha mis tahes tooteid ja teenuseid igal ajal ilma ette teatamata. Intel ei võta endale mingit vastutust ega kohustusi, mis tulenevad siin kirjeldatud teabe, toote või teenuse rakendusest või kasutamisest, välja arvatud juhul, kui Intel on sellega sõnaselgelt kirjalikult nõustunud. Inteli klientidel soovitatakse hankida seadme spetsifikatsioonide uusim versioon enne avaldatud teabele tuginemist ja enne toodete või teenuste tellimuste esitamist.
*Teisi nimesid ja kaubamärke võidakse pidada teiste omandiks.

ISO
9001:2015
Registreeritud

Dokumendid / Ressursid

intel AN 769 FPGA Remote Temperature Sensing Diode [pdfKasutusjuhend AN 769 FPGA temperatuuri kauganduri diood, AN 769, FPGA temperatuuri kauganduri diood, temperatuuri kauganduri diood, temperatuurianduri diood, anduridiood

Viited

• Kasutusjuhend