دیود سنجش دما از راه دور intel AN 769 FPGA
مقدمه
در کاربردهای الکترونیکی مدرن، به ویژه برنامه هایی که نیاز به کنترل دمای بحرانی دارند، اندازه گیری دمای روی تراشه بسیار مهم است.
سیستم های با کارایی بالا به اندازه گیری دقیق دما برای محیط های داخلی و خارجی متکی هستند.
- بهینه سازی عملکرد
- از عملکرد قابل اعتماد اطمینان حاصل کنید
- جلوگیری از آسیب دیدن قطعات
سیستم نظارت بر دمای اینتل FPGA به شما امکان می دهد از تراشه های شخص ثالث برای نظارت بر دمای اتصال (TJ) استفاده کنید. این سیستم نظارت بر دمای خارجی حتی زمانی که FPGA اینتل خاموش است یا پیکربندی نشده است، کار می کند. با این حال، هنگام طراحی رابط بین تراشه خارجی و دیودهای سنجش دما از راه دور FPGA اینتل (TSD) چندین چیز وجود دارد که باید در نظر بگیرید.
هنگامی که یک تراشه سنجش دما را انتخاب می‌کنید، معمولاً به دقت دمایی که می‌خواهید به دست آورید نگاه می‌کنید. با این حال، با آخرین فناوری فرآیند و طراحی متفاوت TSD از راه دور، باید ویژگی‌های داخلی تراشه سنجش دما را نیز در نظر بگیرید تا نیازهای دقت طراحی خود را برآورده کنید.
با درک عملکرد سیستم اندازه گیری دما از راه دور FPGA اینتل، می توانید:
- مشکلات رایج برنامه های سنجش دما را کشف کنید.
- مناسب ترین تراشه سنجش دما را انتخاب کنید که نیازهای برنامه، هزینه و زمان طراحی شما را برآورده می کند.
اینتل قویاً توصیه می‌کند که دمای روی قالب را با استفاده از TSDهای محلی اندازه‌گیری کنید، که اینتل آن‌ها را تأیید کرده است. اینتل نمی تواند دقت سنسورهای دمای خارجی را در شرایط مختلف سیستم تأیید کند. اگر می خواهید از TSD های راه دور با سنسورهای دمای خارجی استفاده کنید، دستورالعمل های این سند را دنبال کنید و دقت تنظیم اندازه گیری دما را تأیید کنید.
این یادداشت کاربردی برای اجرای TSD از راه دور برای خانواده دستگاه Intel Stratix® 10 FPGA اعمال می شود.
اجرا به پایان رسیدview
تراشه حسگر دمای خارجی به کنترل از راه دور FPGA اینتل TSD متصل می شود. TSD از راه دور یک ترانزیستور PNP یا NPN متصل به دیود است.
- شکل 1. اتصال بین تراشه سنجش دما و کنترل از راه دور FPGA اینتل TSD (دیود NPN)
- شکل 2. اتصال بین تراشه سنجش دما و کنترل از راه دور FPGA اینتل TSD (دیود PNP)
معادله زیر دمای ترانزیستور را نسبت به حجم پایه-امیتر تشکیل می دهدtage (VBE).
- معادله 1. رابطه بین دمای ترانزیستور به پایه - امیتر جلدtage (VBE)
کجا:
- T - دما بر حسب کلوین
- q - بار الکترون (1.60 × 10-19 C)
- VBE—base-emitter voltage
- k-ثابت بولتزمن (1.38 × 10-23 J∙K-1)
- آی سی - جریان کلکتور
- IS - جریان اشباع معکوس
- η - ضریب ایده آل بودن دیود راه دور
با تنظیم مجدد معادله 1، معادله زیر را بدست می آورید.
- معادله 2. VBE
به طور معمول، تراشه سنجش دما دو جریان متوالی به خوبی کنترل شده، I1 و I2 را بر روی پایه های P و N اعمال می کند. سپس تراشه تغییر VBE دیود را اندازه گیری و میانگین می کند. دلتا در VBE به طور مستقیم با دما متناسب است، همانطور که در رابطه 3 نشان داده شده است. - معادله 3. دلتا در VBE
کجا:
- n - نسبت جریان اجباری
- VBE1—Base-Emitter voltage در I1
- VBE2—Base-Emitter voltage در I2
ملاحظات پیاده سازی
انتخاب تراشه سنجش دما با ویژگی های مناسب به شما امکان می دهد تا تراشه را برای دستیابی به دقت اندازه گیری بهینه کنید. هنگام انتخاب تراشه، موضوعات موجود در اطلاعات مرتبط را در نظر بگیرید.
- فاکتور ایده آل (η-عامل) عدم تطابق
- خطای مقاومت سری
- تغییرات بتا دیود دما
- خازن ورودی دیفرانسیل
- جبران افست
فاکتور ایده آل (η-عامل) عدم تطابق
هنگامی که اندازه گیری دمای محل اتصال را با استفاده از یک دیود دمای خارجی انجام می دهید، دقت اندازه گیری دما به ویژگی های دیود خارجی بستگی دارد. ضریب ایده آل پارامتری از یک دیود راه دور است که انحراف دیود از رفتار ایده آل خود را اندازه گیری می کند.
معمولاً می‌توانید فاکتور ایده‌آلی را در برگه اطلاعات سازنده دیود بیابید. دیودهای دمای خارجی مختلف به دلیل طراحی و فناوری‌های فرآیند متفاوتی که استفاده می‌کنند مقادیر متفاوتی به شما می‌دهند.
عدم تطابق ایده آل می تواند باعث خطای قابل توجهی در اندازه گیری دما شود. برای جلوگیری از خطای قابل توجه، اینتل توصیه می کند که یک تراشه حسگر دما را انتخاب کنید که دارای یک فاکتور ایده آل قابل تنظیم باشد. برای حذف خطای عدم تطابق، می توانید مقدار ضریب ایده آل را در تراشه تغییر دهید.
- Example 1. سهم فاکتور ایده آل در خطای اندازه گیری دما
این سابقample نشان می دهد که چگونه ضریب ایده آل بودن به خطای اندازه گیری دما کمک می کند. در سابقampمحاسبه، عدم تطابق ایده آل را نشان می دهد که باعث خطای قابل توجه اندازه گیری دما می شود.
- معادله 4. رابطه فاکتور ایده آل با دمای اندازه گیری شده
کجا:
- ηTSC - فاکتور ایده آل تراشه سنجش دما
- TTSC - دما توسط تراشه سنجش دما خوانده می شود
- ηRTD - فاکتور ایده آل بودن دیود دمای راه دور
- TRTD - دما در دیود دمای راه دور
مراحل زیر اندازه گیری دما (TTSC) را توسط تراشه سنجش دما با توجه به مقادیر زیر تخمین می زند:
- ضریب ایده آل سنسور دما (ηTSC) 1.005 است
- ضریب ایده آل دیود دمای راه دور (ηRTD) 1.03 است
- دمای واقعی در دیود دمای راه دور (TRTD) 80 درجه سانتیگراد است
- TRTD 80 درجه سانتیگراد را به کلوین تبدیل کنید: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- معادله 4 را اعمال کنید. دمای محاسبه شده توسط تراشه سنجش دما 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03 است.
- مقدار محاسبه شده را به درجه سانتیگراد تبدیل کنید: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 ° C خطای دما (TE) ناشی از عدم تطابق ایده آل:
TE = 71.43°C – 80.0°C = -8.57°C
خطای مقاومت سری
مقاومت سری در پایه های P و N به خطای اندازه گیری دما کمک می کند.
مقاومت سری می تواند از موارد زیر باشد:
- مقاومت داخلی پین P و N دیود دما.
- مقاومت ردیابی تخته، برای مثالampل، رد تخته طولانی.
مقاومت سری باعث حجم اضافی می شودtage در مسیر سنجش دما کاهش می یابد و منجر به خطای اندازه گیری می شود که بر دقت اندازه گیری دما تأثیر می گذارد. به طور معمول، این وضعیت زمانی اتفاق می‌افتد که اندازه‌گیری دما را با یک تراشه حسگر دمای ۲ جریان انجام می‌دهید.
شکل 3. مقاومت سری داخلی و روی برد
برای توضیح خطای دما که هنگام افزایش مقاومت سری ایجاد می‌شود، برخی از سازنده‌های تراشه سنجش دما داده‌های خطای دمای دیود راه دور در مقابل مقاومت را ارائه می‌دهند.
با این حال، می توانید خطای مقاومت سری را حذف کنید. برخی از تراشه های سنجش دما دارای ویژگی لغو مقاومت سری داخلی هستند. ویژگی لغو مقاومت سری می تواند مقاومت سری را از محدوده چند صد Ω تا محدوده بیش از چند هزار Ω حذف کند.
اینتل توصیه می کند که هنگام انتخاب تراشه سنجش دما، ویژگی لغو مقاومت سری را در نظر بگیرید. این ویژگی به طور خودکار خطای دما ناشی از مقاومت مسیریابی به ترانزیستور راه دور را حذف می کند.
تغییرات بتا دیود دما
با کوچکتر شدن هندسه فناوری فرآیند، مقدار بتا (β) زیرلایه PNP یا NPN کاهش می یابد.
با کاهش مقدار بتای دیود دما، به خصوص اگر کلکتور دیود دما به زمین بسته شود، مقدار بتا بر نسبت جریان در معادله 3 در صفحه 5 تأثیر می گذارد. بنابراین، حفظ نسبت جریان دقیق بسیار مهم است.
برخی از تراشه های سنجش دما دارای ویژگی جبران بتا داخلی هستند. تغییرات بتا مدار جریان پایه را حس می کند و جریان امیتر را برای جبران تغییرات تنظیم می کند. جبران بتا نسبت جریان جمع کننده را حفظ می کند.
شکل 4. دیود دمای فابریک 10 هسته ای Intel Stratix با جبران بتا MAX31730 Maxim Integrated* فعال است
این شکل نشان می دهد که دقت اندازه گیری با فعال بودن جبران بتا به دست می آید. اندازه‌گیری‌ها در شرایط خاموش کردن FPGA انجام شد - انتظار می‌رود دمای تنظیم و اندازه‌گیری شده نزدیک باشد.
| 0 درجه سانتیگراد | 50 درجه سانتیگراد | 100 درجه سانتیگراد | |
| جبران بتا خاموش است | 25.0625 درجه سانتیگراد | 70.1875 درجه سانتیگراد | 116.5625 درجه سانتیگراد |
| جبران بتا روشن است | -0.6875 درجه سانتیگراد | 49.4375 درجه سانتیگراد | 101.875 درجه سانتیگراد |
خازن ورودی دیفرانسیل
خازن (CF) روی پین‌های P و N مانند یک فیلتر پایین‌گذر عمل می‌کند که به فیلتر کردن نویز فرکانس بالا و بهبود تداخل الکترومغناطیسی (EMI) کمک می‌کند.
هنگام انتخاب خازن باید مراقب باشید زیرا ظرفیت بزرگ می تواند بر زمان افزایش منبع جریان سوئیچ شده تأثیر بگذارد و خطای بزرگی در اندازه گیری ایجاد کند. به طور معمول، سازنده تراشه سنسور دما مقدار خازن توصیه شده را در برگه داده خود ارائه می دهد. قبل از تصمیم گیری در مورد مقدار ظرفیت خازن، به دستورالعمل ها یا توصیه های طراحی سازنده خازن مراجعه کنید.
شکل 5. ظرفیت ورودی دیفرانسیل
جبران افست
چندین عامل به طور همزمان می توانند به خطای اندازه گیری کمک کنند. گاهی اوقات، استفاده از یک روش جبرانی واحد ممکن است مشکل را به طور کامل حل نکند. روش دیگر برای رفع خطای اندازه گیری، اعمال جبران افست است.
توجه: اینتل توصیه می کند که از یک تراشه سنجش دما با جبران افست داخلی استفاده کنید. اگر تراشه سنجش دما از این ویژگی پشتیبانی نمی‌کند، می‌توانید از طریق منطق یا نرم‌افزار سفارشی، جبران افست را در طول پردازش پس از آن اعمال کنید.
جبران افست مقدار ثبت آفست را از تراشه سنجش دما تغییر می دهد تا خطای محاسبه شده را حذف کند. برای استفاده از این ویژگی، باید یک درجه حرارت پرو انجام دهیدfile مقدار افست مورد نظر را مطالعه و شناسایی کنید.
شما باید اندازه گیری های دما را در محدوده دمایی مورد نظر با تنظیمات پیش فرض تراشه سنجش دما جمع آوری کنید. سپس، تجزیه و تحلیل داده ها را مانند مثال زیر انجام دهیدample برای تعیین مقدار افست برای اعمال. اینتل توصیه می کند که چندین تراشه سنجش دما را با چندین دیود دما از راه دور آزمایش کنید تا مطمئن شوید که تغییرات قسمت به قسمت را پوشش می دهید. سپس، از میانگین اندازه گیری ها در تجزیه و تحلیل برای تعیین تنظیمات مورد استفاده استفاده کنید.
می توانید بر اساس شرایط عملکرد سیستم خود، نقاط دما را برای آزمایش انتخاب کنید.
معادله 5. ضریب افست
Example 2. استفاده از جبران افست در این سابقampمجموعه ای از اندازه گیری های دما با سه نقطه دما جمع آوری شد. معادله 5 را روی مقادیر اعمال کنید و ضریب افست را محاسبه کنید.
جدول 1. داده های جمع آوری شده قبل از اعمال جبران افست
| تنظیم دما | دمای اندازه گیری شده | ||
| 100 درجه سانتی گراد | 373.15 K | 111.06 درجه سانتی گراد | 384.21 K |
| 50 درجه سانتی گراد | 323.15 K | 61.38 درجه سانتی گراد | 334.53 K |
| 0 درجه سانتی گراد | 273.15 K | 11.31 درجه سانتی گراد | 284.46 K |
از نقطه وسط محدوده دما برای محاسبه دمای افست استفاده کنید. در این سابقampنقطه میانی دمای تنظیم شده 50 درجه سانتیگراد است.
درجه حرارت افست
- = ضریب افست × (دمای اندازه گیری شده-دمای تنظیم شده)
- = 0.9975 × (334.53 - 323.15)
- = 11.35
در صورت نیاز، مقدار دمای افست و سایر عوامل جبرانی را در تراشه سنجش دما اعمال کنید و اندازه گیری را دوباره انجام دهید.
جدول 2. داده های جمع آوری شده پس از اعمال جبران افست
| تنظیم دما | دمای اندازه گیری شده | خطا |
| 100 درجه سانتی گراد | 101.06 درجه سانتی گراد | 1.06 درجه سانتی گراد |
| 50 درجه سانتی گراد | 50.13 درجه سانتی گراد | 0.13 درجه سانتی گراد |
| 0 درجه سانتی گراد | 0.25 درجه سانتی گراد | 0.25 درجه سانتی گراد |
اطلاعات مرتبط
نتایج ارزیابی
دوباره ارائه می دهدview نتایج ارزیابی روش جبران افست با تراشه‌های سنجش دما Maxim Integrated* و Texas Instruments*.
نتایج ارزیابی
در ارزیابی، کیت‌های ارزیابی MAX31730 Maxim Integrated* و TMP468 Texas Instruments* برای رابط با دیودهای دمای راه دور چندین بلوک در FPGA اینتل اصلاح شدند.
جدول 3. بلوک های ارزیابی شده و مدل های تخته
| مسدود کردن | هیئت ارزیابی تراشه سنجش دما | |
| TMP468 شرکت تگزاس اینسترومنتز | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| پارچه هسته اینتل Stratix 10 | بله | بله |
| H-tile یا L-tile | بله | بله |
| کاشی الکترونیکی | بله | بله |
| P-کاشی | بله | بله |
شکل های زیر تنظیمات برد FPGA اینتل را با بردهای ارزیابی Maxim Integrated و Texas Instruments نشان می دهد.
شکل 6. راه اندازی با Maxim Integrate d's MAX31730 Evaluation Board
شکل 7. با هیئت ارزیابی TMP468 تگزاس اینسترومنتز راه اندازی کنید
- یک نیروی حرارتی - یا به طور متناوب، می توانید از یک محفظه دما استفاده کنید - FPGA را پوشانده و مهر و موم می کند و دما را مطابق با نقطه دمای تنظیم شده تحت فشار قرار می دهد.
- در طول این آزمایش، FPGA در شرایط بدون برق باقی ماند تا از تولید گرما جلوگیری شود.
- زمان خیساندن برای هر نقطه آزمایش دما 30 دقیقه بود.
- تنظیمات روی کیت های ارزیابی از تنظیمات پیش فرض سازندگان استفاده می کردند.
- پس از تنظیم، مراحل جبران افست در صفحه 10 برای جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده ها دنبال شد.
ارزیابی با صفحه ارزیابی تراشه سنجش دما MAX31730 Maxim Integrated
این ارزیابی با مراحل راه اندازی همانطور که در جبران افست توضیح داده شده انجام شد.
داده ها قبل و بعد از اعمال جبران افست جمع آوری شد. دمای افست متفاوتی برای بلوک‌های مختلف FPGA اینتل اعمال شد زیرا یک مقدار افست واحد نمی‌تواند روی همه بلوک‌ها اعمال شود. شکل های زیر نتایج را نشان می دهد.
شکل 8. داده های Intel Stratix 10 Core Fabric
شکل 9. داده های Intel FPGA H-Tile و L-Tile
شکل 10. داده های Intel FPGA E-Tile
شکل 11. داده های Intel FPGA P-Tile
ارزیابی با هیئت ارزیابی تراشه سنجش دما TMP468 تگزاس اینسترومنتز
این ارزیابی با مراحل راه اندازی همانطور که در جبران افست توضیح داده شده انجام شد.
داده ها قبل و بعد از اعمال جبران افست جمع آوری شد. دمای افست متفاوتی برای بلوک‌های مختلف FPGA اینتل اعمال شد زیرا یک مقدار افست واحد نمی‌تواند روی همه بلوک‌ها اعمال شود. شکل های زیر نتایج را نشان می دهد.
شکل 12. داده های Intel Stratix 10 Core Fabric
شکل 13. داده های Intel FPGA H-Tile و L-Tile
شکل 14. داده های Intel FPGA E-Tile
شکل 15. داده های Intel FPGA P-Tile
نتیجه گیری
تولید کنندگان تراشه های سنجش دما بسیار متفاوت هستند. در حین انتخاب کامپوننت، اینتل قویاً توصیه می کند که تراشه سنجش دما را با ملاحظات زیر انتخاب کنید.
- یک تراشه با ویژگی فاکتور ایده آل قابل تنظیم انتخاب کنید.
- تراشه ای را انتخاب کنید که دارای مقاومت سری لغو شود.
- تراشه ای را انتخاب کنید که از جبران بتا پشتیبانی می کند.
- خازن هایی را انتخاب کنید که مطابق با توصیه های سازنده تراشه باشد.
- هر گونه جبران مناسب را پس از انجام پروگرام دما اعمال کنیدfile مطالعه کنید
بر اساس بررسی پیاده سازی و نتایج ارزیابی، شما باید تراشه سنجش دما را در طراحی خود بهینه کنید تا به دقت اندازه گیری دست یابید.
تاریخچه ویرایش سند برای AN 769: راهنمای پیاده‌سازی دیود سنجش دما از راه دور FPGA اینتل
| نسخه سند | تغییرات |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | انتشار اولیه |
شرکت اینتل تمامی حقوق محفوظ است. اینتل، لوگوی اینتل و سایر علائم اینتل علائم تجاری Intel Corporation یا شرکت های تابعه آن هستند. اینتل عملکرد FPGA و محصولات نیمه هادی خود را با مشخصات فعلی مطابق با ضمانت استاندارد اینتل تضمین می کند، اما این حق را برای خود محفوظ می دارد که در هر زمان و بدون اطلاع قبلی، هر محصول و خدماتی را تغییر دهد. اینتل هیچ مسئولیت یا مسئولیتی را که ناشی از کاربرد یا استفاده از هر گونه اطلاعات، محصول یا خدماتی است که در اینجا توضیح داده شده است، بر عهده نمی گیرد، مگر اینکه صراحتاً به صورت کتبی توسط اینتل موافقت شده باشد. به مشتریان اینتل توصیه می شود قبل از تکیه بر اطلاعات منتشر شده و قبل از سفارش محصولات یا خدمات، آخرین نسخه مشخصات دستگاه را دریافت کنند.
*اسامی و برندهای دیگر ممکن است به عنوان دارایی دیگران ادعا شود.
ISO
9001:2015
ثبت شده است
اسناد / منابع
 |
دیود سنجش دما از راه دور intel AN 769 FPGA [pdfراهنمای کاربر دیود سنجش دما از راه دور AN 769 FPGA، AN 769، دیود سنجش دما از راه دور FPGA، دیود سنجش دما از راه دور، دیود سنجش دما، دیود سنجش از راه دور |
