intel AN 769 FPGA Remote Temperature Sensing Diodi
Johdanto
Nykyaikaisissa elektronisissa sovelluksissa, erityisesti sovelluksissa, jotka vaativat kriittistä lämpötilan säätöä, lämpötilan mittaus sirulla on ratkaisevan tärkeää.
Suorituskykyiset järjestelmät perustuvat tarkkoihin lämpötilamittauksiin sisä- ja ulkoympäristöissä.
- Optimoi suorituskyky
- Varmista luotettava toiminta
- Estä komponenttien vaurioituminen
Intel® FPGA -lämpötilan valvontajärjestelmän avulla voit käyttää kolmannen osapuolen siruja liitoslämpötilan (TJ) tarkkailemiseen. Tämä ulkoinen lämpötilanvalvontajärjestelmä toimii, vaikka Intel FPGA:n virta on katkaistu tai sitä ei ole määritetty. On kuitenkin useita asioita, jotka sinun on otettava huomioon, kun suunnittelet ulkoisen sirun ja Intelin FPGA-etälämpötilan tunnistusdiodien (TSD) välistä liitäntää.
Kun valitset lämpötilan mittaussirun, katsot yleensä lämpötilan tarkkuutta, jonka haluat saavuttaa. Uusimman prosessitekniikan ja erilaisen TSD-etäsuunnittelun ansiosta sinun on kuitenkin otettava huomioon myös lämpötilan mittaussirun sisäänrakennetut ominaisuudet, jotta ne täyttävät suunnittelun tarkkuusvaatimukset.
Ymmärtämällä Intelin FPGA-etälämpötilanmittausjärjestelmän toiminnan voit:
- Tutustu lämpötilan mittaussovellusten yleisiin ongelmiin.
- Valitse sopivin lämpötila-anturisiru, joka vastaa sovelluksesi tarpeita, kustannuksia ja suunnitteluaikaa.
Intel suosittelee painokkaasti, että mittaat lämpötilan paikallisilla TSD-levyillä, jotka Intel on vahvistanut. Intel ei voi vahvistaa ulkoisten lämpötila-anturien tarkkuutta erilaisissa järjestelmäolosuhteissa. Jos haluat käyttää etä-TSD:itä ulkoisten lämpötila-antureiden kanssa, noudata tämän asiakirjan ohjeita ja vahvista lämpötilan mittausasetusten tarkkuus.
Tämä sovellushuomautus koskee Intel Stratix® 10 FPGA -laiteperheen TSD-etätoteutusta.
Toteutus ohiview
Ulkoinen lämpötilantunnistussiru liitetään Intelin FPGA-etä-TSSD:hen. Etä-TSD on PNP- tai NPN-diodilla kytketty transistori.
- Kuva 1. Lämpötila-anturisirun ja Intel FPGA Remote TSD:n (NPN-diodi) välinen yhteys
- Kuva 2. Lämpötila-anturisirun ja Intel FPGA Remote TSD:n (PNP-diodi) välinen yhteys
Seuraava yhtälö muodostaa transistorin lämpötilan suhteessa kanta-emitteriin voltage (VBE).
- Yhtälö 1. Transistorin ja kanta-emitterin lämpötilan välinen suhde Voltage (VBE)
Jossa:
- T – Lämpötila kelvineinä
- q – elektronin varaus (1.60 × 10–19 C)
- VBE—base-emitter voltage
- k – Boltzmannin vakio (1.38 × 10–23 J∙K–1)
- IC – kollektorivirta
- IS — käänteinen kyllästysvirta
- η — etädiodin ideaalisuuskerroin
Järjestämällä yhtälön 1 uudelleen, saat seuraavan yhtälön.
- Yhtälö 2. VBE
Tyypillisesti lämpötilan mittaussiru pakottaa kaksi peräkkäistä hyvin ohjattua virtaa, I1 ja I2, P- ja N-nastoihin. Sitten siru mittaa ja laskee keskiarvon diodin VBE:n muutoksen. VBE:n delta on suoraan verrannollinen lämpötilaan, kuten yhtälössä 3 esitetään. - Yhtälö 3. Delta VBE:ssä
Jossa:
- n – pakotettu virtasuhde
- VBE1—base-emitter voltage klo I1
- VBE2—base-emitter voltage klo I2
Toteutuksen harkinta
Valitsemalla lämpötilan mittaussirun, jossa on sopivat ominaisuudet, voit optimoida sirun mittaustarkkuuden saavuttamiseksi. Harkitse asiaan liittyvien tietojen aiheita, kun valitset sirua.
- Ideaalisuuskerroin (η-tekijä) ei täsmää
- Sarjan vastusvirhe
- Lämpötiladiodin beta-vaihtelu
- Differentiaalinen tulokondensaattori
- Offset-korvaus
Ideaalisuuskerroin (η-tekijä) ei täsmää
Kun suoritat liitoslämpötilan mittauksen ulkoisella lämpötiladiodilla, lämpötilan mittauksen tarkkuus riippuu ulkoisen diodin ominaisuuksista. Ideaalisuustekijä on etädiodin parametri, joka mittaa diodin poikkeamaa sen ihanteellisesta käyttäytymisestä.
Ideaalisuustekijän löydät yleensä diodin valmistajan tuoteselosteesta. Erilaiset ulkoiset lämpötiladiodit antavat sinulle erilaisia arvoja niiden käyttämien erilaisten suunnittelu- ja prosessitekniikoiden vuoksi.
Ideaalivirhe voi aiheuttaa merkittävän lämpötilan mittausvirheen. Merkittävän virheen välttämiseksi Intel suosittelee, että valitset lämpötilantunnistussirun, jossa on konfiguroitava ideaalisuustekijä. Voit muuttaa sirun ideaalisuustekijän arvoa epäsopivuusvirheen poistamiseksi.
- Example 1. Ideaalisuustekijän vaikutus lämpötilan mittausvirheeseen
Tämä example osoittaa, kuinka ideaalisuustekijä vaikuttaa lämpötilan mittausvirheeseen. Example, laskelma osoittaa ideaalisuuseron, joka aiheuttaa merkittävän lämpötilan mittausvirheen.
- Yhtälö 4. Ideaalisuustekijän suhde mitattuun lämpötilaan
Jossa:
- ηTSC — lämpötila-anturisirun ideaalisuuskerroin
- TTSC – lämpötila-anturisirun lukema lämpötila
- ηRTD — etälämpötiladiodin ideaalisuuskerroin
- TRTD — lämpötila etälämpötiladiodilla
Seuraavat vaiheet arvioivat lämpötilan mittauksen (TTSC) lämpötilan mittaussirun avulla seuraavilla arvoilla:
- Lämpötila-anturin ideaalisuuskerroin (ηTSC) on 1.005
- Kaukolämpötiladiodin (ηRTD) ideaalisuuskerroin on 1.03
- Todellinen lämpötila etälämpötiladiodissa (TRTD) on 80°C
- Muunna 80°C:n TRTD Kelvineiksi: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- Käytä yhtälöä 4. Lämpötila-anturisirun laskema lämpötila on 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
- Muunna laskettu arvo Celsius-asteiksi: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Ideaalisuuserosta aiheutuva lämpötilavirhe (TE):
TE = 71.43 °C - 80.0 °C = -8.57 °C
Sarjan vastusvirhe
P- ja N-nastojen sarjavastus lisää lämpötilan mittausvirhettä.
Sarjan vastus voi olla seuraavista:
- Lämpötiladiodin P- ja N-nastan sisäinen resistanssi.
- Levyn jälkivastus, esimample, pitkä taulun jälki.
Sarjavastus aiheuttaa lisätilavuuttatage putoaa lämpötilan mittausreitillä ja johtaa mittausvirheeseen, joka vaikuttaa lämpötilan mittauksen tarkkuuteen. Tyypillisesti tämä tilanne tapahtuu, kun suoritat lämpötilan mittauksen 2-virran lämpötilan mittaussirun avulla.
Kuva 3. Sisäinen ja on-board-sarjan vastus
Selittääkseen lämpötilavirheen, joka syntyy sarjavastuksen kasvaessa, jotkut lämpötilantunnistussirun valmistajat tarjoavat tiedot diodin etälämpötilavirheestä resistanssin funktiona.
Voit kuitenkin poistaa sarjavastusvirheen. Joissakin lämpötila-anturisiruissa on sisäänrakennettu sarjavastuksen peruutusominaisuus. Sarjavastuksen kumoamisominaisuus voi poistaa sarjaresistanssin muutaman sadan Ω:n alueelta yli muutaman tuhannen Ω:n alueelle.
Intel suosittelee, että otat huomioon sarjavastuksen peruutusominaisuuden, kun valitset lämpötilantunnistussirun. Ominaisuus eliminoi automaattisesti etätransistorin reitityksen resistanssin aiheuttaman lämpötilavirheen.
Lämpötiladiodin beta-vaihtelu
Prosessiteknologian geometrioiden pienentyessä PNP- tai NPN-substraatin Beta(β)-arvo pienenee.
Kun lämpötiladiodin beeta-arvo laskee, varsinkin jos lämpötiladiodin kollektori on sidottu maahan, beeta-arvo vaikuttaa virtasuhteeseen yhtälössä 3 sivulla 5. Siksi tarkan virtasuhteen ylläpitäminen on ratkaisevan tärkeää.
Joissakin lämpötilan mittaussiruissa on sisäänrakennettu beta-kompensointiominaisuus. Piirin beeta-variaatio tunnistaa perusvirran ja säätää emitterin virtaa vaihtelun kompensoimiseksi. Beta-kompensointi ylläpitää kollektorin virtasuhdetta.
Kuva 4. Intel Stratix 10 Core Fabric lämpötiladiodi, jossa Maxim Integrated*:n MAX31730 Beta Compensation käytössä
Tämä kuva osoittaa, että mittaustarkkuus saavutetaan, kun Beta-kompensointi on käytössä. Mittaukset tehtiin FPGA-virrankatkaisun aikana – asetettujen ja mitattujen lämpötilojen odotetaan olevan lähellä.
| 0˚C | 50˚C | 100˚C | |
| Beta-kompensaatio pois päältä | 25.0625˚C | 70.1875˚C | 116.5625˚C |
| Beta-kompensaatio käytössä | -0.6875 ˚C | 49.4375˚C | 101.875˚C |
Differentiaalinen tulokondensaattori
P- ja N-nastassa oleva kondensaattori (CF) toimii alipäästösuodattimena, joka auttaa suodattamaan suurtaajuista kohinaa ja parantamaan sähkömagneettista häiriötä (EMI).
Sinun on oltava varovainen kondensaattorin valinnassa, koska suuri kapasitanssi voi vaikuttaa kytketyn virtalähteen nousuaikaan ja aiheuttaa valtavan mittausvirheen. Tyypillisesti lämpötila-anturisirun valmistaja ilmoittaa suositellun kapasitanssiarvon tietolomakkeessaan. Katso kondensaattorin valmistajan suunnitteluohjeet tai suositus ennen kuin päätät kapasitanssiarvon.
Kuva 5. Differentiaalinen tulokapasitanssi
Offset-korvaus
Useat tekijät voivat samanaikaisesti vaikuttaa mittausvirheeseen. Joskus yhden korvausmenetelmän käyttäminen ei välttämättä ratkaise ongelmaa täysin. Toinen tapa ratkaista mittausvirhe on käyttää offset-kompensaatiota.
Huomautus: Intel suosittelee, että käytät lämpötilan mittauspiiriä, jossa on sisäänrakennettu offset-kompensointi. Jos lämpötilan mittaussiru ei tue ominaisuutta, voit soveltaa offset-kompensaatiota jälkikäsittelyn aikana mukautetun logiikan tai ohjelmiston avulla.
Offset-kompensointi muuttaa lämpötilan mittaussirun offset-rekisterin arvon lasketun virheen poistamiseksi. Jotta voit käyttää tätä ominaisuutta, sinun on suoritettava lämpötilaprofile tutkia ja tunnistaa käytettävä offset-arvo.
Sinun on kerättävä lämpötilamittaukset halutulta lämpötila-alueelta lämpötilantunnistussirun oletusasetuksissa. Suorita sen jälkeen data-analyysi kuten seuraavassa esimample määrittääksesi sovellettavan offset-arvon. Intel suosittelee, että testaat useita lämpötilantunnistussiruja useilla etälämpötiladiodilla varmistaaksesi, että katat osien väliset vaihtelut. Käytä sitten analyysin mittausten keskiarvoa määrittääksesi käytettävät asetukset.
Voit valita testattavat lämpötilapisteet järjestelmän toimintaolosuhteiden perusteella.
Yhtälö 5. Offset Factor
Example 2. Offset-kompensaation soveltaminen Tässä esimample, kerättiin joukko lämpötilamittauksia kolmella lämpötilapisteellä. Käytä yhtälöä 5 arvoihin ja laske offset-tekijä.
Taulukko 1. Tiedot kerätty ennen offset-kompensaation soveltamista
| Aseta lämpötila | Mitattu lämpötila | ||
| 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 |
Käytä lämpötila-alueen keskipistettä laskeaksesi siirtymälämpötilan. Tässä example, keskipiste on 50°C asetettu lämpötila.
Offset lämpötila
- = Poikkeamakerroin × ( Mitattu lämpötila - Asetettu lämpötila )
- = 0.9975 × (334.53–323.15)
- = 11.35
Käytä lämpötilan poikkeamaarvoa ja muita kompensointikertoimia tarvittaessa lämpötilan mittaussirulle ja suorita mittaus uudelleen.
Taulukko 2. Poikkeamakorvauksen soveltamisen jälkeen kerätyt tiedot
| Aseta lämpötila | Mitattu lämpötila | Virhe |
| 100 °C | 101.06 °C | 1.06 °C |
| 50 °C | 50.13 °C | 0.13 °C |
| 0 °C | 0.25 °C | 0.25 °C |
Aiheeseen liittyvät tiedot
Arvioinnin tulokset
Tarjoaa review Offset-kompensointimenetelmän arviointituloksista Maxim Integrated*- ja Texas Instruments* lämpötila-anturisiruilla.
Arvioinnin tulokset
Arvioinnissa Maxim Integrated*:n MAX31730- ja Texas Instrumentsin* TMP468-arviointisarjoja muutettiin liittämään Intel FPGA:n useiden lohkojen etälämpötiladiodeihin.
Taulukko 3. Arvioidut lohkot ja levymallit
| Lohko | Lämpötila-anturisirun arviointilautakunta | |
| Texas Instrumentsin TMP468 | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| Intel Stratix 10 -ydinkangas | Kyllä | Kyllä |
| H-laatta tai L-laatta | Kyllä | Kyllä |
| E-laatta | Kyllä | Kyllä |
| P-laatta | Kyllä | Kyllä |
Seuraavat kuvat näyttävät Intel FPGA -kortin asennuksen Maxim Integrated- ja Texas Instruments -arviointikorteilla.
Kuva 6. Asennus Maxim Integrate d:n MAX31730 Evaluation Boardilla
Kuva 7. Asennus Texas Instrumentsin TMP468 Evaluation Boardin avulla
- Lämpövoimalaite – tai vaihtoehtoisesti voit käyttää lämpötilakammiota – peitti ja tiivisti FPGA:n ja pakotti lämpötilan asetetun lämpötilapisteen mukaan.
- Tämän testin aikana FPGA pysyi tehottomana, jotta se ei tuota lämpöä.
- Kunkin lämpötilatestipisteen liotusaika oli 30 minuuttia.
- Arviointisarjojen asetuksissa käytettiin valmistajien oletusasetuksia.
- Asennuksen jälkeen noudatettiin kohdan Offset Compensation (sivu 10) vaiheita tiedon keräämiseksi ja analysoimiseksi.
Arviointi Maxim Integratedin MAX31730 lämpötila-anturisirun arviointitaululla
Tämä arviointi suoritettiin asennusvaiheilla, jotka on kuvattu kohdassa Offset Compensation.
Tiedot on kerätty ennen hyvityksen soveltamista ja sen jälkeen. Intelin eri FPGA-lohkoihin sovellettiin erilaista siirtymälämpötilaa, koska yhtä offset-arvoa ei voida käyttää kaikissa lohkoissa. Seuraavissa kuvissa näkyy tulokset.
Kuva 8. Intel Stratix 10 Core Fabric -kankaan tiedot
Kuva 9. Tiedot Intel FPGA H-Tile ja L-Tile
Kuva 10. Intel FPGA E-Tile -levyn tiedot
Kuva 11. Intel FPGA P-Tile -levyn tiedot
Arviointi Texas Instrumentsin TMP468 Temperature Sensing Chip Evaluation Boardilla
Tämä arviointi suoritettiin asennusvaiheilla, jotka on kuvattu kohdassa Offset Compensation.
Tiedot on kerätty ennen hyvityksen soveltamista ja sen jälkeen. Intelin eri FPGA-lohkoihin sovellettiin erilaista siirtymälämpötilaa, koska yhtä offset-arvoa ei voida käyttää kaikissa lohkoissa. Seuraavissa kuvissa näkyy tulokset.
Kuva 12. Intel Stratix 10 Core Fabric -kankaan tiedot
Kuva 13. Tiedot Intel FPGA H-Tile ja L-Tile
Kuva 14. Intel FPGA E-Tile -levyn tiedot
Kuva 15. Intel FPGA P-Tile -levyn tiedot
Johtopäätös
Lämpötila-anturisirujen valmistajia on monia erilaisia. Komponenttien valinnan aikana Intel suosittelee, että valitset lämpötilantunnistussirun seuraavien seikkojen mukaisesti.
- Valitse siru, jossa on konfiguroitava ideaalisuustekijäominaisuus.
- Valitse siru, jossa on sarjavastuksen peruutus.
- Valitse siru, joka tukee beta-kompensaatiota.
- Valitse kondensaattorit, jotka vastaavat sirun valmistajan suosituksia.
- Käytä sopivaa kompensaatiota lämpötilaprosentin suorittamisen jälkeenfile opiskella.
Käyttöönoton harkinnan ja arvioinnin tulosten perusteella sinun on optimoitava suunnittelussasi oleva lämpötila-anturisiru mittaustarkkuuden saavuttamiseksi.
Asiakirjan versiohistoria AN 769:lle: Intel FPGA Remote Temperature Sensing Diode Implementation Guide
| Asiakirjan versio | Muutokset |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Alkuperäinen julkaisu. |
Intel Corporation. Kaikki oikeudet pidätetään. Intel, Intel-logo ja muut Intel-merkit ovat Intel Corporationin tai sen tytäryhtiöiden tavaramerkkejä. Intel takaa FPGA- ja puolijohdetuotteidensa suorituskyvyn nykyisten vaatimusten mukaisesti Intelin vakiotakuun mukaisesti, mutta pidättää oikeuden tehdä muutoksia tuotteisiin ja palveluihin milloin tahansa ilman erillistä ilmoitusta. Intel ei ota minkään tässä kuvatun tiedon, tuotteen tai palvelun soveltamisesta tai käytöstä johtuvaa vastuuta tai vastuuta, ellei Intel ole nimenomaisesti kirjallisesti suostunut siihen. Intelin asiakkaita kehotetaan hankkimaan uusin versio laitteen teknisistä tiedoista ennen kuin he luottavat julkaistuihin tietoihin ja ennen kuin he tilaavat tuotteita tai palveluita.
*Muut nimet ja tuotemerkit voidaan väittää muiden omaisuudeksi.
ISO
9001:2015
Rekisteröity
Asiakirjat / Resurssit
 |
intel AN 769 FPGA Remote Temperature Sensing Diodi [pdfKäyttöopas AN 769 FPGA -etälämpötilan tunnistusdiodi, AN 769, FPGA-etälämpötilan tunnistusdiodi, etälämpötilan tunnistusdiodi, lämpötilan tunnistusdiodi, tunnistusdiodi |
