Intel AN 769 FPGA Urruneko Tenperatura Sentsatzeko Diodoa

Sarrera

Aplikazio elektroniko modernoetan, batez ere tenperatura-kontrol kritikoa behar duten aplikazioetan, txiparen tenperatura neurtzea funtsezkoa da.

Errendimendu handiko sistemak tenperatura neurketa zehatzetan oinarritzen dira barruko eta kanpoko inguruneetarako.

• Optimizatu errendimendua
• Ziurtatu funtzionamendu fidagarria
• Osagaien kalteak saihestu

Intel® FPGA tenperatura kontrolatzeko sistemak hirugarrenen txipak erabiltzeko aukera ematen du bidegurutze tenperatura (TJ) kontrolatzeko. Kanpoko tenperatura kontrolatzeko sistema honek Intel FPGA itzalita edo konfiguratuta ez dagoen bitartean funtzionatzen du. Hala ere, hainbat gauza kontuan hartu behar dituzu kanpoko txiparen eta Intel FPGA urrutiko tenperatura sentsorearen diodoen (TSD) arteko interfazea diseinatzean.
Tenperatura sentsatzeko txip bat hautatzen duzunean, normalean lortu nahi duzun tenperaturaren zehaztasuna aztertuko zenuke. Hala ere, azken prozesu-teknologiarekin eta urruneko TSD diseinu desberdinarekin, tenperatura sentsorearen txiparen ezaugarriak ere kontuan hartu behar dituzu diseinuaren zehaztasun-baldintzak betetzeko.

Intel FPGA urrutiko tenperatura neurtzeko sistemaren funtzionamendua ulertuz, egin dezakezu:

• Ezagutu tenperatura sentsore aplikazioekin ohiko arazoak.
• Hautatu zure aplikazioaren beharrei, kostuari eta diseinu-denborari erantzuten dion tenperatura sentsatzeko txip egokiena.

Intelek biziki gomendatzen du trokelaren tenperatura neurtzea tokiko TSDak erabiliz, Intelek balioztatu dituenak. Intelek ezin du balioztatu kanpoko tenperatura sentsoreen zehaztasuna sistemaren hainbat baldintzatan. Urruneko TSDak kanpoko tenperatura sentsoreekin erabili nahi badituzu, jarraitu dokumentu honetako jarraibideak eta balioztatu tenperatura neurtzeko konfigurazioaren zehaztasuna.

Aplikazio-ohar hau Intel Stratix® 10 FPGA gailu familiako TSD urruneko inplementazioari dagokio.

Inplementazioa amaituview

Kanpoko tenperatura sentsore txipa Intel FPGA urruneko TSDra konektatzen da. Urruneko TSD PNP edo NPN diodoarekin konektatutako transistore bat da.

• 1. irudia. Tenperatura sentsatzeko txiparen eta Intel FPGA Remote TSD (NPN Diodo) arteko konexioa
• 2. irudia. Tenperatura sentsatzeko txiparen eta Intel FPGA Remote TSD (PNP Diodo) arteko konexioa

Ondorengo ekuazioak transistore baten tenperatura osatzen du base-igorle bolumenarekikotage (VBE).

• 1. ekuazioa. Transistorearen tenperatura oinarri-igorlearen arteko erlazioa Voltage (VBE)Non:
  • T—Tenperatura Kelvin-en
  • q: elektroiaren karga (1.60 × 10−19 C)
  • VBE—oinarri-igorlea voltage
  • k—Boltzmann konstantea (1.38 × 10−23 J∙K−1)
  • IC: kolektorearen korrontea
  • IS: alderantzizko saturazio-korrontea
  • η—urrutiko diodoaren idealtasun faktorea
    1. ekuazioa berrantolatuz, hurrengo ekuazioa lortuko duzu.

• 2. ekuazioa. VBE
  Normalean, tenperatura hautemateko txipak ondo kontrolatutako ondoz ondoko bi korronte behartzen ditu, I1 eta I2 P eta N pinetan. Gero txipak diodoaren VBEaren aldaketa neurtzen eta batez bestekoa egiten du. VBEn delta tenperaturarekin zuzenean proportzionala da, 3. ekuazioan erakusten den bezala.
• 3. ekuazioa. Delta VBEnNon:
  • n—korronte behartutako ratioa
  • VBE1—oinarri-igorlea voltage I1ean
  • VBE2—oinarri-igorlea voltage I2ean

Ezarpen-hausnarketa

Ezaugarri egokiekin tenperatura hautemateko txipa hautatzeak txipa optimizatzeko aukera ematen du neurketaren zehaztasuna lortzeko. Kontuan izan erlazionatutako informazioko gaiak txipa hautatzen duzunean.

Lotutako informazioa

• Idealtasun-faktorea (η-Faktorea) Bat-etortze eza
• Serie Erresistentzia Errorea
• Tenperatura-diodoaren beta aldakuntza
• Sarrerako kondentsadorea diferentziala
• Konpentsazio-konpentsazioa

Idealtasun-faktorea (η-Faktorea) Bat-etortze eza

Kanpo-tenperatura-diodo bat erabiliz juntura-tenperatura neurtzen duzunean, tenperatura-neurketaren zehaztasuna kanpoko diodoaren ezaugarrien araberakoa da. Idealtasun-faktorea urrutiko diodo baten parametroa da, diodoaren portaera idealarekiko desbideratzea neurtzen duena.
Normalean diodoaren fabrikatzailearen datu-orrian aurki dezakezu idealtasun faktorea. Kanpo tenperaturaren diodo ezberdinek balio desberdinak ematen dizkizute, erabiltzen dituzten diseinu eta prozesu teknologia ezberdinengatik.
Idealtasun desegokiak tenperatura neurtzeko errore nabarmena eragin dezake. Errore esanguratsua saihesteko, Intelek gomendatzen du idealtasun-faktore konfiguragarria duen tenperatura hautemateko txip bat hautatzea. Idealtasun-faktorearen balioa alda dezakezu txiparen desadostasun-errorea ezabatzeko.

• Example 1. Idealtasun-faktorearen ekarpena Tenperatura neurtzeko erroreari

Adibample erakusten du idealtasun faktoreak nola laguntzen duen tenperatura neurtzeko errorean. Adibample, kalkuluak idealtasun-desegokia erakusten du tenperatura neurtzeko errore esanguratsu bat eraginez.

• 4. ekuazioa. Idealtasun Faktorea Neurtutako Tenperaturarekin erlazioa

Non:

• ηTSC—tenperatura sentsatzeko txiparen idealtasun-faktorea
• TTSC - tenperatura sentsore txipak irakurritako tenperatura
• ηRTD—urrutiko tenperaturaren diodoaren idealtasun faktorea
• TRTD — urrutiko tenperaturaren diodoko tenperatura

Ondorengo urratsek tenperaturaren neurketa (TTSC) estimatzen dute tenperatura sentsore-txiparen bidez, balio hauek emanda:

• Tenperatura-sentsorearen idealtasun-faktorea (ηTSC) 1.005 da
• Urruneko tenperaturaren diodoaren (ηRTD) idealtasun faktorea 1.03 da
• Urrutiko tenperaturaren diodoan (TRTD) benetako tenperatura 80 °C da

 

1. Bihurtu 80°C-ko TRTD Kelvinera: 80 + 273.15 = 353.15 K.
2. Aplikatu 4. ekuazioa. Tenperatura sentsore txiparen bidez kalkulatutako tenperatura 1.005 × 353.15 = 344.57 K da.TTSC = 1.03
3. Bihurtu kalkulatutako balioa Celsius-era: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 °C Idealtasun-desegokitasunak eragindako tenperatura-errorea (TE):
   TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Serie Erresistentzia Errorea

P eta N pinen serieko erresistentziak tenperatura neurtzeko errorea eragiten du.

Serieko erresistentzia hauetakoa izan daiteke:

• Tenperatura-diodoaren P eta N pinen barne-erresistentzia.
• Taularen arrastoaren erresistentzia, adibidezample, ohol luzeko traza.

Serieko erresistentziak bolumen gehigarria eragiten dutage tenperatura sentsatzeko bidean erortzea eta neurketa-errorea eragiten du, tenperatura neurketaren zehaztasuna eraginez. Normalean, egoera hau gertatzen da tenperatura neurketa egiten duzunean 2 korronte tenperatura sentsore txip batekin.

3. irudia. Barneko eta barneko serieen erresistentziaSerieko erresistentzia handitzean gertatzen den tenperatura-errorea azaltzeko, tenperatura sentsorearen txip fabrikatzaile batzuek urrutiko diodoaren tenperatura-errorearen datuak ematen dituzte erresistentziaren aldean.
Hala ere, serie erresistentzia errorea ezabatu dezakezu. Tenperatura sentsatzeko txip batzuek serieko erresistentzia bertan behera uzteko funtzioa dute. Serie-erresistentzia bertan behera uzteko funtzioak serie-erresistentzia ezaba dezake ehunka Ω-tik mila Ω-tik gorako tartetik.
Intelek gomendatzen du seriearen erresistentzia bertan behera uzteko funtzioa kontuan hartzea tenperatura sentsorearen txipa hautatzen duzunean. Ezaugarriak automatikoki ezabatzen du urruneko transistorearen bideratzearen erresistentziak eragindako tenperatura-errorea.

Tenperatura-diodoaren beta aldakuntza

Prozesu-teknologiaren geometriak txikiagoak diren heinean, PNP edo NPN substratuaren Beta(β) balioa gutxitzen da.
Tenperatura-diodoaren Beta balioa txikiagoa denez, batez ere tenperatura-diodoaren kolektorea lurrari lotuta badago, Beta balioak 3. orrialdeko 5. ekuazioan dagoen korronte-erlazioan eragiten du. Beraz, korronte-erlazio zehatza mantentzea funtsezkoa da.
Tenperatura sentsatzeko txip batzuek Beta konpentsazio funtzioa dute. Zirkuituaren Beta aldakuntzak oinarrizko korrontea hautematen du eta igorlearen korrontea doitzen du aldakuntza konpentsatzeko. Beta konpentsazioak kolektoreko korronte erlazioa mantentzen du.

4. irudia. Intel Stratix 10 Core Fabric Tenperatura Diodo Maxim Integrated*-ren MAX31730 Beta konpentsazioa gaituta
Irudi honek erakusten du neurketaren zehaztasuna Beta konpentsazioa gaituta lortzen dela. Neurketak FPGA itzaltzeko egoeran egin ziren; ezarritako eta neurtutako tenperaturak gertu egotea espero da.

	0˚C	50˚C	100˚C
Beta konpentsazioa desaktibatuta	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Beta konpentsazioa aktibatuta	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Sarrerako kondentsadorea diferentziala

P eta N pinetako kondentsadorea (CF) maiztasun handiko zarata iragazten eta interferentzia elektromagnetikoa (EMI) hobetzen laguntzen duen behe-iragazkia bezala jokatzen du.
Kontuz ibili behar duzu kondentsadorearen aukeraketan, kapazitate handiak korronte-iturriaren igoera denboran eragina izan dezakeelako eta neurketa-errore handi bat sartu dezakeelako. Normalean, tenperatura sentsatzeko txiparen fabrikatzaileak gomendatutako kapazitate-balioa ematen du bere datu-orrian. Kontsultatu kondentsadorearen fabrikatzailearen diseinu-jarraibideak edo gomendioak kapazitate-balioa erabaki aurretik.

5. irudia. Sarrerako gaitasun diferentziala

Konpentsazio-konpentsazioa

Faktore anitzek aldi berean eragin dezakete neurketa-errorea. Batzuetan, konpentsazio-metodo bakarra aplikatuz gero, baliteke arazoa guztiz ez konpontzea. Neurketa-errorea konpontzeko beste metodo bat offset-konpentsazioa aplikatzea da.

Oharra:  Intelek gomendatzen du tenperatura hautemateko txip bat erabiltzea desplazamendu-konpentsazio integratua duena. Tenperatura hautemateko txipak funtzioa onartzen ez badu, desplazamendu-konpentsazioa aplika dezakezu ondorengo prozesatzean logika edo software pertsonalizatuaren bidez.
Desplazamendu-konpentsazioak tenperatura sentsorearen txiparen desplazamendu-erregistroaren balioa aldatzen du kalkulatutako errorea ezabatzeko. Ezaugarri hau erabiltzeko, tenperatura profesional bat egin behar duzufile aplikatu beharreko desplazamendu-balioa aztertu eta identifikatu.

Tenperatura-neurketak nahi duzun tenperatura-tartean bildu behar dituzu tenperatura sentsore-txiparen ezarpen lehenetsiekin. Ondoren, egin datuen azterketa hurrengo adibidean bezalaample aplikatu beharreko desplazamendu-balioa zehazteko. Intelek gomendatzen du hainbat tenperatura sentsore-txip probatzea urrutiko tenperatura-diodo batzuekin, zatiz zati aldaerak estaltzen dituzula ziurtatzeko. Ondoren, erabili neurketen batez bestekoa analisian aplikatu beharreko ezarpenak zehazteko.
Probatzeko tenperatura-puntuak hauta ditzakezu zure sistemaren funtzionamendu-egoeraren arabera.

5. ekuazioa. Desplazamendu-faktorea

Example 2. Konpentsazio-konpentsazioen aplikazioa Adib honetanample, tenperatura neurketa multzo bat bildu zen hiru tenperatura punturekin. Aplikatu 5. ekuazioa balioei eta kalkulatu offset faktorea.

1. taula. Konpentsazio-konpentsazioa aplikatu aurretik bildutako datuak

Ezarri Tenperatura		Neurtutako Tenperatura
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

Erabili tenperatura-tartearen erdiko puntua desplazamendu-tenperatura kalkulatzeko. Adib honetanample, erdiko puntua 50°C ezarritako tenperatura da.
Desplazamendu-tenperatura

• = Desplazamendu-faktorea × (Neurtutako tenperatura-Ezartutako tenperatura)
• = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
• = 11.35

Aplikatu desplazamendu-tenperaturaren balioa eta beste konpentsazio-faktore batzuk, behar izanez gero, tenperatura sentsore-txipan eta hartu berriro neurketa.

2. taula. Konpentsazio-konpentsazioa aplikatu ondoren bildutako datuak

Ezarri Tenperatura	Neurtutako Tenperatura	Errorea
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Lotutako informazioa
Ebaluazio-emaitzak
Erre bat ematen duview Maxim Integrated* eta Texas Instruments* tenperatura sentsore-txipekin desplazamendu-konpentsazio metodoaren ebaluazio-emaitzen emaitzak.

Ebaluazio-emaitzak

Ebaluazioan, Maxim Integrated*-ren MAX31730 eta Texas Instruments*-ren TMP468 ebaluazio-kitak aldatu ziren Intel FPGAko hainbat bloketako urrutiko tenperatura-diodoekin interfazea izateko.

3. taula. Ebaluatutako blokeak eta taula ereduak

Blokea	Tenperatura Sentsoreko Txipak Ebaluatzeko Batzordea
	Texas Instruments-en TMP468	Maxim Integrate-ren MAX31730
Intel Stratix 10 core ehuna	Bai	Bai
H teila edo L teila	Bai	Bai
E-teila	Bai	Bai
P-teila	Bai	Bai

Hurrengo irudiek Intel FPGA plakaren konfigurazioa erakusten dute Maxim Integrated eta Texas Instruments ebaluazio-plakekin.

6. irudia. Konfiguratu Maxim Integrate d-ren MAX31730 Ebaluazio Batzordearekin

7. irudia. Konfiguratu Texas Instruments-en TMP468 Ebaluazio Taularekin

• Bortxatzaile termiko batek (edo, bestela, tenperatura-ganbera bat erabil dezakezu) FPGA estali eta zigilatu eta tenperatura behartu zuen ezarritako tenperatura puntuaren arabera.
• Proba honetan, FPGA elikadurarik gabe egon zen beroa ez sortzeko.
• Tenperatura proba-puntu bakoitzeko beratzen denbora 30 minutukoa izan zen.
• Ebaluazio-kitetako ezarpenek fabrikatzaileen ezarpen lehenetsiak erabiltzen zituzten.
• Konfiguratu ondoren, 10. orrialdeko Konpentsazio-konpentsazioko urratsak jarraitu ziren datuak biltzeko eta aztertzeko.

Ebaluazioa Maxim Integrated-en MAX31730 Tenperatura Sentsoreko Chip Ebaluatzeko Taularekin

Ebaluazio hau konfigurazio-urratsekin egin da Konpentsazio-konpentsazioan azaltzen den moduan.
Datuak konpentsazio-konpentsazioa aplikatu aurretik eta ondoren bildu ziren. Desplazamendu-tenperatura desberdina aplikatu zaie Intel FPGA bloke desberdinei, ezin delako desplazamendu-balio bakarra bloke guztietan aplikatu. Hurrengo irudiek emaitzak erakusten dituzte.

8. Irudia. Intel Stratix 10 Core Fabric-erako datuak

9. Irudia. Intel FPGA H-Tile eta L-Tile-ren datuak

10. Irudia Intel FPGA E-Tilerako datuak

11. Irudia Intel FPGA P-Tilerako datuak

Ebaluazioa Texas Instruments-en TMP468 Tenperatura Sentsorearen Txipa Ebaluatzeko Taularekin

Ebaluazio hau konfigurazio-urratsekin egin da Konpentsazio-konpentsazioan azaltzen den moduan.
Datuak konpentsazio-konpentsazioa aplikatu aurretik eta ondoren bildu ziren. Desplazamendu-tenperatura desberdina aplikatu zaie Intel FPGA bloke desberdinei, ezin delako desplazamendu-balio bakarra bloke guztietan aplikatu. Hurrengo irudiek emaitzak erakusten dituzte.

12. Irudia. Intel Stratix 10 Core Fabric-erako datuak

13. Irudia. Intel FPGA H-Tile eta L-Tile-ren datuak

14. Irudia Intel FPGA E-Tilerako datuak

15. Irudia Intel FPGA P-Tilerako datuak

Ondorioa

Tenperatura sentsatzeko txip fabrikatzaile asko daude. Osagaiak hautatzerakoan, Intelek gomendatzen du tenperatura sentsatzeko txipa hautatzeko gogoeta hauekin.

1. Hautatu idealtasun faktore konfiguragarria duen txipa.
2. Hautatu serie-erresistentzia baliogabetzea duen txipa.
3. Hautatu Beta konpentsazioa onartzen duen txipa.
4. Hautatu txiparen fabrikatzailearen gomendioekin bat datozen kondentsadoreak.
5. Aplikatu edozein konpentsazio egokia tenperatura-proiektua egin ondorenfile aztertzea.

Inplementazioaren eta ebaluazioaren emaitzetan oinarrituta, tenperatura sentsorearen txipa optimizatu behar duzu zure diseinuan neurketaren zehaztasuna lortzeko.

AN 769rako dokumentuaren berrikuspen-historia: Intel FPGA Urruneko Tenperatura Sentsorearen Diodoaren Ezarpen Gida

Dokumentuaren bertsioa	Aldaketak
2022.04.06	Tenperatura sentsoreko txiparen tenperaturaren kalkulua zuzendu du idealitate-faktorearen desegokitzeari buruzko gaian. Desplazamenduaren tenperaturaren kalkulua zuzendu du adibidezampkonpentsazioaren inguruko gaian le.
2021.02.09	Hasierako kaleratzea.

Intel Corporation. Eskubide guztiak erreserbatuak. Intel, Intel logotipoa eta beste Intel marka Intel Corporation edo bere filialen marka komertzialak dira. Intel-ek bere FPGA eta erdieroaleen produktuen errendimendua bermatzen du uneko zehaztapenekin, Intel-en berme estandarraren arabera, baina edozein unetan edozein produktu eta zerbitzutan aldaketak egiteko eskubidea gordetzen du jakinarazi gabe. Intel-ek ez du bere gain hartzen hemen deskribatutako edozein informazio, produktu edo zerbitzuren aplikazio edo erabileratik eratorritako erantzukizunik edo erantzukizunik, Intel-ek idatziz berariaz hitzartutakoa izan ezik. Intel-eko bezeroei gomendatzen zaie gailuaren zehaztapenen azken bertsioa eskuratzea argitaratutako edozein informaziotan oinarritu aurretik eta produktu edo zerbitzuen eskaerak egin aurretik.
*Beste izen eta markak beste batzuen jabetza direla erreklamatu daitezke.

ISO
9001:2015
Erregistratua

Dokumentuak / Baliabideak

Intel AN 769 FPGA Urruneko Tenperatura Sentsatzeko Diodoa [pdfErabiltzailearen gida AN 769 FPGA Urruneko Tenperatura-Detekzio-diodoa, AN 769, FPGA Urruneko Tenperatura-Detekzio-diodoa, Urruneko Tenperatura-Detekzio-diodoa, Tenperatura-Detekzio-diodoa, Sentze-diodoa

Erreferentziak

• Erabiltzailearen eskuliburua