Guide de l'utilisateur de la diode de détection de température à distance intel AN 769 FPGA

Dans les applications électroniques modernes, en particulier les applications qui nécessitent un contrôle critique de la température, la mesure de la température sur puce est cruciale.

Les systèmes hautes performances reposent sur des mesures de température précises pour les environnements intérieurs et extérieurs.

Optimiser les performances
Assurer un fonctionnement fiable
Prévenir les dommages aux composants

Le système de surveillance de la température Intel® FPGA vous permet d'utiliser des puces tierces pour surveiller la température de jonction (TJ). Ce système de surveillance de la température externe fonctionne même lorsque le FPGA Intel est éteint ou non configuré. Cependant, vous devez tenir compte de plusieurs éléments lorsque vous concevez l'interface entre la puce externe et les diodes de détection de température à distance (TSD) Intel FPGA.
Lorsque vous sélectionnez une puce de détection de température, vous examinez généralement la précision de température que vous souhaitez obtenir. Cependant, avec la technologie de traitement la plus récente et une conception de TSD à distance différente, vous devez également tenir compte des fonctionnalités intégrées de la puce de détection de température pour répondre à vos exigences de précision de conception.

En comprenant le fonctionnement du système de mesure de température à distance Intel FPGA, vous pouvez :

Découvrez les problèmes courants liés aux applications de détection de température.
Sélectionnez la puce de détection de température la plus appropriée qui répond aux besoins, au coût et au temps de conception de votre application.

Intel vous recommande fortement de mesurer la température sur puce à l'aide de TSD locaux, qu'Intel a validés. Intel ne peut pas valider la précision des capteurs de température externes dans diverses conditions système. Si vous souhaitez utiliser les TSD distants avec des capteurs de température externes, suivez les instructions de ce document et validez la précision de votre configuration de mesure de température.

Cette note d'application s'applique à la mise en œuvre de TSD à distance pour la famille d'appareils FPGA Intel Stratix® 10.

Mise en œuvre terminéeview

La puce de détection de température externe se connecte au TSD distant Intel FPGA. Le TSD distant est un transistor connecté en diode PNP ou NPN.

Figure 1. Connexion entre la puce de détection de température et le TSD à distance Intel FPGA (diode NPN)

Figure 2. Connexion entre la puce de détection de température et le TSD à distance Intel FPGA (diode PNP)

L'équation suivante forme la température d'un transistor par rapport au vol base-émetteurtage (VBE).

Équation 1. Relation entre la température du transistor et le vol base-émetteurtage (VBE)Où:
- T—Température en Kelvin
- q—la charge de l'électron (1.60 × 10−19 C)
- VBE—vol base-émetteurtage
- k—Constante de Boltzmann (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC - le courant de collecteur
- IS - le courant de saturation inverse
- η - le facteur d'idéalité de la diode distante
  En réorganisant l'équation 1, vous obtenez l'équation suivante.

Équation 2. VBE
Typiquement, la puce de détection de température force deux courants consécutifs bien contrôlés, I1 et I2 sur les broches P et N. La puce mesure alors et calcule la moyenne de la variation du VBE de la diode. Le delta de VBE est directement proportionnel à la température, comme le montre l'équation 3.
Équation 3. Delta dans VBEOù:
- n - rapport de courant forcé
- VBE1—vol base-émetteurtage à I1
- VBE2—vol base-émetteurtage à I2

Considération de mise en œuvre

La sélection de la puce de détection de température avec les fonctionnalités appropriées vous permet d'optimiser la puce pour obtenir une précision de mesure. Tenez compte des rubriques des informations associées lorsque vous sélectionnez la puce.

Informations connexes

Inadéquation du facteur d'idéalité (facteur η)
Erreur de résistance série
Variation bêta de la diode de température
Condensateur d'entrée différentiel
Compensation de décalage

Inadéquation du facteur d'idéalité (facteur η)

Lorsque vous effectuez une mesure de température de jonction à l'aide d'une diode de température externe, la précision de la mesure de température dépend des caractéristiques de la diode externe. Le facteur d'idéalité est un paramètre d'une diode distante qui mesure l'écart de la diode par rapport à son comportement idéal.
Vous pouvez généralement trouver le facteur d'idéalité dans la fiche technique du fabricant de diodes. Différentes diodes de température externe vous donnent des valeurs différentes en raison des différentes technologies de conception et de processus qu'elles utilisent.
Une non-concordance d'idéalité peut entraîner une erreur de mesure de température significative. Pour éviter l'erreur significative, Intel vous recommande de sélectionner une puce de détection de température dotée d'un facteur d'idéalité configurable. Vous pouvez modifier la valeur du facteur d'idéalité dans la puce pour éliminer l'erreur de non-concordance.

Example 1. Contribution du facteur d'idéalité à l'erreur de mesure de la température

Cet example montre comment le facteur d'idéalité contribue à l'erreur de mesure de la température. Dans l'example, le calcul montre le décalage d'idéalité provoquant une erreur de mesure de température significative.

Équation 4. Relation entre le facteur d'idéalité et la température mesurée

Où:

ηTSC—facteur d'idéalité de la puce de détection de température
TTSC—température lue par la puce de détection de température
ηRTD—facteur d'idéalité de la diode de température à distance
TRTD—température à la diode de température à distance

Les étapes suivantes permettent d'estimer la mesure de température (TTSC) par la puce de détection de température, en fonction des valeurs suivantes :

Le facteur d'idéalité du capteur de température (ηTSC) est de 1.005
Le facteur d'idéalité de la diode de température à distance (ηRTD) est de 1.03
La température réelle à la diode de température à distance (TRTD) est de 80 °C

Convertir le TRTD de 80°C en Kelvin : 80 + 273.15 = 353.15 K.
Appliquez l'équation 4. La température calculée par la puce de détection de température est de 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03

Convertissez la valeur calculée en degrés Celsius : TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 °C L'erreur de température (TE) causée par l'inadéquation de l'idéalité :
ET = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Erreur de résistance série

La résistance série sur les broches P et N contribue à l'erreur de mesure de la température.

La résistance série peut être de :

La résistance interne des broches P et N de la diode de température.
La résistance de trace de la carte, par example, une longue planche trace.

La résistance série provoque vol supplémentairetage chute au niveau du chemin de détection de température et entraîne une erreur de mesure, affectant la précision de la mesure de la température. Généralement, cette situation se produit lorsque vous effectuez une mesure de température avec une puce de détection de température à 2 courants.

Figure 3. Résistance série interne et embarquéePour expliquer l'erreur de température encourue lorsque la résistance série augmente, certains fabricants de puces de détection de température fournissent les données de l'erreur de température de la diode à distance par rapport à la résistance.
Cependant, vous pouvez éliminer l'erreur de résistance série. Certaines puces de détection de température ont une fonction d'annulation de résistance en série intégrée. La fonction d'annulation de la résistance série peut éliminer la résistance série d'une plage de quelques centaines de Ω à une plage dépassant quelques milliers de Ω.
Intel vous recommande de prendre en compte la fonction d'annulation de la résistance série lorsque vous sélectionnez la puce de détection de température. La fonction élimine automatiquement l'erreur de température causée par la résistance du routage vers le transistor distant.

Variation bêta de la diode de température

À mesure que les géométries de la technologie des procédés deviennent plus petites, la valeur bêta (β) du substrat PNP ou NPN diminue.
Au fur et à mesure que la valeur bêta de la diode de température diminue, en particulier si le collecteur de la diode de température est relié à la terre, la valeur bêta affecte le rapport de courant sur l'équation 3 à la page 5. Par conséquent, le maintien d'un rapport de courant précis est crucial.
Certaines puces de détection de température ont une fonction de compensation bêta intégrée. La variation bêta du circuit détecte le courant de base et ajuste le courant de l'émetteur pour compenser la variation. La compensation bêta maintient le rapport de courant du collecteur.

Figure 4. Diode de température Intel Stratix 10 Core Fabric avec compensation bêta MAX31730 de Maxim Integrated* activée
Cette figure montre que la précision de la mesure est atteinte avec la compensation bêta activée. Les mesures ont été prises pendant la mise hors tension du FPGA - les températures définies et mesurées devraient être proches.

	0˚C	50˚C	100˚C
Compensation bêta désactivée	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Compensation bêta activée	-0.6875 °C	49.4375˚C	101.875˚C

Condensateur d'entrée différentiel

Le condensateur (CF) sur les broches P et N agit comme un filtre passe-bas qui aide à filtrer le bruit haute fréquence et à améliorer les interférences électromagnétiques (EMI).
Vous devez être prudent lors de la sélection du condensateur car la grande capacité peut affecter le temps de montée de la source de courant commutée et introduire une énorme erreur de mesure. En règle générale, le fabricant de la puce de détection de température fournit la valeur de capacité recommandée dans sa fiche technique. Reportez-vous aux directives de conception ou aux recommandations du fabricant du condensateur avant de décider de la valeur de capacité.

Figure 5. Capacité d'entrée différentielle

Compensation de décalage

Plusieurs facteurs peuvent simultanément contribuer à l'erreur de mesure. Parfois, l'application d'une seule méthode de compensation peut ne pas résoudre complètement le problème. Une autre méthode pour résoudre l'erreur de mesure consiste à appliquer une compensation de décalage.

Note: Intel vous recommande d'utiliser une puce de détection de température avec compensation de décalage intégrée. Si la puce de détection de température ne prend pas en charge la fonction, vous pouvez appliquer une compensation de décalage lors du post-traitement via une logique ou un logiciel personnalisé.
La compensation de décalage modifie la valeur du registre de décalage de la puce de détection de température pour éliminer l'erreur calculée. Pour utiliser cette fonction, vous devez effectuer un test de températurefile étudier et identifier la valeur d'offset à appliquer.

Vous devez collecter des mesures de température sur la plage de température souhaitée avec les paramètres par défaut de la puce de détection de température. Ensuite, effectuez l'analyse des données comme dans l'exemple suivantample pour déterminer la valeur de décalage à appliquer. Intel vous recommande de tester plusieurs puces de détection de température avec plusieurs diodes de température à distance pour vous assurer que vous couvrez les variations d'une pièce à l'autre. Ensuite, utilisez la moyenne des mesures dans l'analyse pour déterminer les paramètres à appliquer.
Vous pouvez sélectionner les points de température à tester en fonction des conditions de fonctionnement de votre système.

Équation 5. Facteur de décalage

Example 2. Application de la compensation de compensationDans cet example, un ensemble de mesures de température a été collecté avec trois points de température. Appliquez l'équation 5 aux valeurs et calculez le facteur de décalage.

Tableau 1. Données collectées avant l'application de la compensation de décalage

Régler la température		Température mesurée
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

Utilisez le point médian de la plage de température pour calculer la température de décalage. Dans cet example, le point médian est la température de consigne de 50°C.
Température de décalage

= Facteur de décalage × ( Température mesurée−Température de consigne )
= 0.9975 × (334.53 − 323.15)
= 11.35

Appliquez la valeur de température de décalage et d'autres facteurs de compensation, si nécessaire, dans la puce de détection de température et reprenez la mesure.

Tableau 2. Données collectées après application de la compensation de décalage

Régler la température	Température mesurée	Erreur
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Informations connexes
Résultats de l'évaluation
Fournit un review des résultats d'évaluation de la méthode de compensation de décalage avec les puces de détection de température Maxim Integrated* et Texas Instruments*.

Résultats de l'évaluation

Lors de l'évaluation, les kits d'évaluation MAX31730 de Maxim Integrated* et TMP468 de Texas Instruments* ont été modifiés pour s'interfacer avec les diodes de température à distance de plusieurs blocs du FPGA Intel.

Tableau 3. Modèles de blocs et de cartes évalués

Bloc	Carte d'évaluation de puce de détection de température
Bloc	TMP468 de Texas Instruments	Maxim Intégré d's MAX31730
Tissu Intel Stratix 10 cœurs	Oui	Oui
Tuile en H ou tuile en L	Oui	Oui
E-tuile	Oui	Oui
Tuile P	Oui	Oui

Les figures suivantes montrent la configuration de la carte Intel FPGA avec les cartes d'évaluation Maxim Integrated et Texas Instruments.

Figure 6. Configuration avec la carte d'évaluation MAX31730 de Maxim Integrate d'

Figure 7. Configuration avec la carte d'évaluation TMP468 de Texas Instruments

Un forceur thermique - ou vous pouvez également utiliser une chambre de température - a recouvert et scellé le FPGA et a forcé la température selon le point de température défini.
Pendant ce test, le FPGA est resté hors tension pour éviter qu'il ne génère de la chaleur.
Le temps de trempage pour chaque point de test de température était de 30 minutes.
Les paramètres des kits d'évaluation utilisaient les paramètres par défaut des fabricants.
Après la configuration, les étapes de Compensation de décalage à la page 10 ont été suivies pour la collecte et l'analyse des données.

Évaluation avec la carte d'évaluation de la puce de détection de température MAX31730 de Maxim Integrated

Cette évaluation a été effectuée avec les étapes de configuration décrites dans Compensation de décalage .
Les données ont été recueillies avant et après l'application de la compensation de décalage. Une température de décalage différente a été appliquée à différents blocs Intel FPGA car une seule valeur de décalage ne peut pas être appliquée à tous les blocs. Les figures suivantes montrent les résultats.

Figure 8. Données pour Intel Stratix 10 Core Fabric

Figure 9. Données pour Intel FPGA H-Tile et L-Tile

Figure 10. Données pour Intel FPGA E-Tile

Figure 11. Données pour Intel FPGA P-Tile

Évaluation avec la carte d'évaluation de puce de détection de température TMP468 de Texas Instruments

Figure 12. Données pour Intel Stratix 10 Core Fabric

Figure 13. Données pour Intel FPGA H-Tile et L-Tile

Figure 14. Données pour Intel FPGA E-Tile

Figure 15. Données pour Intel FPGA P-Tile

Conclusion

Il existe de nombreux fabricants de puces de détection de température. Lors de la sélection des composants, Intel vous recommande fortement de sélectionner la puce de détection de température en tenant compte des considérations suivantes.

Sélectionnez une puce avec une fonction de facteur d'idéalité configurable.
Sélectionnez une puce qui a une annulation de résistance série.
Sélectionnez une puce prenant en charge la compensation bêta.
Sélectionnez des condensateurs qui correspondent aux recommandations du fabricant de la puce.
Appliquez toute compensation appropriée après avoir effectué un test de températurefile étude.

Sur la base des considérations de mise en œuvre et des résultats de l'évaluation, vous devez optimiser la puce de détection de température dans votre conception pour obtenir une précision de mesure.

Historique de révision du document pour AN 769 : Guide de mise en œuvre de la diode de détection de température à distance Intel FPGA

Version du document	Changements
2022.04.06	Correction du calcul de la température de la puce de détection de température dans la rubrique sur l'inadéquation du facteur d'idéalité. Correction du calcul de la température de décalage example dans la rubrique sur la compensation de décalage.
2021.02.09	Version initiale.

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ISO
9001:2015
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Documents / Ressources

Diode de détection de température à distance Intel AN 769 FPGA [pdf] Guide de l'utilisateur
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Références

Manuel d'utilisation

Diode de détection de température à distance Intel AN 769 FPGA

Introduction