Diodo sensor remoto de temperatura intel AN 769 FPGA

Introdución

Nas aplicacións electrónicas modernas, especialmente nas aplicacións que requiren un control crítico da temperatura, a medición da temperatura no chip é fundamental.

Os sistemas de alto rendemento dependen de medicións de temperatura precisas para ambientes interiores e exteriores.

• Optimizar o rendemento
• Garantir un funcionamento fiable
• Evita danos nos compoñentes

O sistema de monitorización de temperatura Intel® FPGA permítelle utilizar chips de terceiros para controlar a temperatura de unión (TJ). Este sistema de monitorización de temperatura externa funciona mesmo mentres o Intel FPGA está apagado ou non está configurado. Non obstante, hai varias cousas que debes ter en conta cando deseñas a interface entre o chip externo e os díodos sensores remotos de temperatura (TSD) Intel FPGA.
Cando seleccionas un chip sensor de temperatura, normalmente mirarías a precisión da temperatura que queres conseguir. Non obstante, coa tecnoloxía de proceso máis recente e un deseño TSD remoto diferente, tamén debes ter en conta as funcións integradas do chip sensor de temperatura para cumprir os requisitos de precisión do teu deseño.

Ao comprender o funcionamento do sistema de medición remota de temperatura Intel FPGA, pode:

• Descubra problemas comúns coas aplicacións de detección de temperatura.
• Seleccione o chip de detección de temperatura máis axeitado que satisfaga as súas necesidades de aplicación, custo e tempo de deseño.

Intel recomenda encarecidamente que midas a temperatura na matriz usando TSD locais, que Intel validou. Intel non pode validar a precisión dos sensores de temperatura externos en varias condicións do sistema. Se desexa utilizar os TSD remotos con sensores de temperatura externos, siga as directrices deste documento e valide a precisión da súa configuración de medición de temperatura.

Esta nota de aplicación aplícase á implementación remota de TSD para a familia de dispositivos Intel Stratix® 10 FPGA.

Implementación finalizadaview

O chip de detección de temperatura externo conéctase ao TSD remoto Intel FPGA. O TSD remoto é un transistor conectado a diodos PNP ou NPN.

• Figura 1. Conexión entre o chip de detección de temperatura e o Intel FPGA Remote TSD (diodo NPN)
• Figura 2. Conexión entre o chip de detección de temperatura e o TSD remoto Intel FPGA (diodo PNP)

A seguinte ecuación forma a temperatura dun transistor en relación co vol de base-emisortage (VBE).

• Ecuación 1. Relación entre a temperatura do transistor e o emisor de base voltage (VBE)Onde:
  • T: temperatura en Kelvin
  • q: carga electrónica (1.60 × 10−19 C)
  • VBE - emisor base voltage
  • k—Constante de Boltzmann (1.38 × 10−23 J∙K−1)
  • IC: corrente do colector
  • IS: corrente de saturación inversa
  • η: factor de idealidade do diodo remoto
    Reordenando a ecuación 1, obtense a seguinte ecuación.

• Ecuación 2. VBE
  Normalmente, o chip sensor de temperatura forza dúas correntes consecutivas ben controladas, I1 e I2 nos pinos P e N. A continuación, o chip mide e promedia o cambio do VBE do díodo. O delta en VBE é directamente proporcional á temperatura, como se mostra na ecuación 3.
• Ecuación 3. Delta en VBEOnde:
  • n: relación de corrente forzada
  • VBE1-base-emisor voltage en I1
  • VBE2-base-emisor voltage en I2

Consideración de implementación

A selección do chip de detección de temperatura coas características adecuadas permítelle optimizar o chip para acadar a precisión da medición. Considere os temas da información relacionada cando seleccione o chip.

Información relacionada

• Factor de idealidade (factor η) Desaxuste
• Erro de resistencia da serie
• Variación beta do diodo de temperatura
• Capacitor de entrada diferencial
• Compensación de compensación

Factor de idealidade (factor η) Desaxuste

Cando realiza a medición da temperatura de unión mediante un díodo de temperatura externo, a precisión da medición de temperatura depende das características do díodo externo. O factor de idealidade é un parámetro dun díodo remoto que mide a desviación do díodo do seu comportamento ideal.
Normalmente podes atopar o factor de idealidade na folla de datos do fabricante do diodo. Os diferentes díodos de temperatura externa danche diferentes valores debido ás diferentes tecnoloxías de deseño e proceso que usan.
A falta de coincidencia da idealidade pode provocar un erro significativo na medición da temperatura. Para evitar o erro significativo, Intel recomenda que seleccione un chip de detección de temperatura que teña un factor de idealidade configurable. Podes cambiar o valor do factor de idealidade no chip para eliminar o erro de desaxuste.

• Example 1. Contribución do factor de idealidade ao erro de medición da temperatura

Este example mostra como o factor de idealidade contribúe ao erro de medición da temperatura. No example, o cálculo mostra o desajuste de idealidade que causa un erro significativo na medición da temperatura.

• Ecuación 4. Relación do factor de idealidade coa temperatura medida

Onde:

• ηTSC: factor de idealidade do chip sensor de temperatura
• TTSC: temperatura lida polo chip sensor de temperatura
• ηRTD: factor de idealidade do diodo de temperatura remoto
• TRTD: temperatura no diodo de temperatura remoto

Os seguintes pasos estiman a medición de temperatura (TTSC) mediante o chip sensor de temperatura, dados os seguintes valores:

• O factor de idealidade do sensor de temperatura (ηTSC) é 1.005
• O factor de idealidade do diodo de temperatura remoto (ηRTD) é 1.03
• A temperatura real do diodo de temperatura remoto (TRTD) é de 80 °C

 

1. Converte o TRTD de 80 °C a Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
2. Aplica a ecuación 4. A temperatura calculada polo chip sensor de temperatura é 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
3. Converte o valor calculado a Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 °C O erro de temperatura (TE) causado pola discrepancia de idealidade:
   TE = 71.43 °C – 80.0 °C = –8.57 °C

Erro de resistencia da serie

A resistencia en serie dos pinos P e N contribúe ao erro de medición da temperatura.

A resistencia en serie pode ser de:

• A resistencia interna do pin P e N do díodo de temperatura.
• A resistencia do taboleiro, por exemploample, un trazo de taboleiro longo.

A resistencia en serie provoca volúmenes adicionaistage caer no camiño de detección de temperatura e resulta nun erro de medición, afectando a precisión da medición da temperatura. Normalmente, esta situación ocorre cando se realiza a medición de temperatura cun chip de detección de temperatura de 2 correntes.

Figura 3. Resistencia en serie interna e integradaPara explicar o erro de temperatura que se produce cando a resistencia da serie aumenta, algún fabricante de chips sensores de temperatura proporciona os datos do erro de temperatura do díodo remoto fronte á resistencia.
Non obstante, pode eliminar o erro de resistencia da serie. Algún chip de detección de temperatura ten unha función de cancelación de resistencia en serie integrada. A función de cancelación da resistencia en serie pode eliminar a resistencia en serie desde un rango duns poucos centos de Ω ata un rango que supera algúns miles de Ω.
Intel recomenda que considere a función de cancelación da resistencia da serie cando seleccione o chip de detección de temperatura. A función elimina automaticamente o erro de temperatura causado pola resistencia do enrutamento ao transistor remoto.

Variación beta do diodo de temperatura

A medida que as xeometrías da tecnoloxía de proceso se fan máis pequenas, o valor Beta(β) do substrato PNP ou NPN diminúe.
A medida que o valor beta do díodo de temperatura baixa, especialmente se o colector do díodo de temperatura está ligado ao chan, o valor beta afecta a relación de corrente da ecuación 3 da páxina 5. Polo tanto, manter unha relación de corrente precisa é fundamental.
Algúns chips de detección de temperatura teñen unha función de compensación beta incorporada. A variación Beta do circuíto detecta a corrente base e axusta a corrente do emisor para compensar a variación. A compensación Beta mantén a relación de corrente do colector.

Figura 4. Diodo de temperatura de tela Intel Stratix 10 núcleos con compensación beta MAX31730 de Maxim Integrated* activada
Esta figura mostra que a precisión da medición conséguese coa compensación beta activada. As medicións realizáronse durante a condición de apagado da FPGA; espérase que as temperaturas establecidas e medidas estean próximas.

	0ºC	50ºC	100ºC
Compensación beta desactivada	25.0625ºC	70.1875ºC	116.5625ºC
Compensación beta activada	-0.6875ºC	49.4375ºC	101.875ºC

Capacitor de entrada diferencial

O capacitor (CF) nos pinos P e N actúa como un filtro de paso baixo que axuda a filtrar o ruído de alta frecuencia e mellorar a interferencia electromagnética (EMI).
Debe ter coidado durante a selección do capacitor porque a gran capacitancia pode afectar o tempo de subida da fonte de corrente conmutada e introducir un erro de medición enorme. Normalmente, o fabricante do chip sensor de temperatura proporciona o valor de capacitancia recomendado na súa folla de datos. Consulte as directrices ou recomendacións de deseño do fabricante do capacitor antes de decidir o valor da capacitancia.

Figura 5. Capacidade de entrada diferencial

Compensación de compensación

Múltiples factores poden contribuír simultaneamente ao erro de medición. Ás veces, a aplicación dun único método de compensación pode non resolver completamente o problema. Outro método para resolver o erro de medición é aplicar compensación de compensación.

Nota:  Intel recomenda que use un chip de detección de temperatura con compensación de compensación integrada. Se o chip de detección de temperatura non admite a función, pode aplicar unha compensación de compensación durante o procesamento posterior mediante lóxica ou software personalizado.
A compensación de compensación cambia o valor do rexistro de compensación do chip sensor de temperatura para eliminar o erro calculado. Para usar esta función, debes realizar unha proba de temperaturafile estudar e identificar o valor de compensación a aplicar.

Debe recoller as medicións de temperatura no intervalo de temperatura desexado coa configuración predeterminada do chip sensor de temperatura. Despois, realice a análise de datos como no seguinte example para determinar o valor de compensación a aplicar. Intel recomenda probar varios chips de detección de temperatura con varios díodos de temperatura remotos para asegurarse de cubrir as variacións de parte a peza. A continuación, use a media das medidas na análise para determinar as opcións a aplicar.
Pode seleccionar os puntos de temperatura para probar en función das condicións de funcionamento do seu sistema.

Ecuación 5. Factor de compensación

Example 2. Aplicación da compensación de compensación Neste example, recolleuse un conxunto de medidas de temperatura con tres puntos de temperatura. Aplica a ecuación 5 aos valores e calcula o factor de compensación.

Táboa 1. Datos recollidos antes de aplicar a compensación de compensación

Temperatura establecida		Temperatura medida
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

Use o punto medio do intervalo de temperatura para calcular a temperatura de compensación. Neste example, o punto medio é a temperatura fixada de 50 °C.
Temperatura de compensación

• = Factor de compensación × (Temperatura medida-Temperatura establecida)
• = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
• = 11.35

Aplique o valor de temperatura de compensación e outros factores de compensación, se é necesario, no chip sensor de temperatura e retome a medición.

Táboa 2. Datos recollidos despois de aplicar a compensación de compensación

Temperatura establecida	Temperatura medida	Erro
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Información relacionada
Resultados da avaliación
Ofrece un review dos resultados da avaliación do método de compensación de compensación con chips sensores de temperatura de Maxim Integrated* e Texas Instruments*.

Resultados da avaliación

Na avaliación, o MAX31730 de Maxim Integrated* e os kits de avaliación TMP468 de Texas Instruments* foron modificados para interactuar cos díodos de temperatura remotos de varios bloques da FPGA Intel.

Táboa 3. Modelos de bloques e placas avaliados

Bloquear	Consello de avaliación de chip sensor de temperatura
	TMP468 de Texas Instruments	Maxim Integrate d's MAX31730
Tecido de núcleo Intel Stratix 10	Si	Si
Baldosa H ou baldosa L	Si	Si
Baldosa electrónica	Si	Si
Baldosa P	Si	Si

As seguintes figuras mostran a configuración da placa Intel FPGA coas placas de avaliación de Maxim Integrated e Texas Instruments.

Figura 6. Configurar coa tarxeta de avaliación MAX31730 de Maxim Integrate d

Figura 7. Configurar coa placa de avaliación TMP468 de Texas Instruments

• Un forzador térmico, ou alternativamente, pode usar unha cámara de temperatura, cubriu e selou a FPGA e forzou a temperatura segundo o punto de temperatura establecido.
• Durante esta proba, o FPGA permaneceu sen alimentación para evitar que xere calor.
• O tempo de inmersión para cada punto de proba de temperatura foi de 30 minutos.
• A configuración dos kits de avaliación utilizou a configuración predeterminada dos fabricantes.
• Despois da configuración, seguíronse os pasos da Compensación de compensación na páxina 10 para a recollida e análise de datos.

Avaliación coa placa de avaliación de chip de detección de temperatura MAX31730 de Maxim Integrated

Esta avaliación realizouse cos pasos de configuración descritos en Compensación de compensación.
Os datos foron recollidos antes e despois de aplicar a compensación de compensación. Aplicouse unha temperatura de compensación diferente a diferentes bloques Intel FPGA porque non se pode aplicar un único valor de compensación en todos os bloques. As seguintes figuras mostran os resultados.

Figura 8. Datos para Intel Stratix 10 Core Fabric

Figura 9. Datos para Intel FPGA H-Tile e L-Tile

Figura 10. Datos para Intel FPGA E-Tile

Figura 11. Datos para Intel FPGA P-Tile

Avaliación coa placa de avaliación de chips de detección de temperatura TMP468 de Texas Instruments

Esta avaliación realizouse cos pasos de configuración descritos en Compensación de compensación.
Os datos foron recollidos antes e despois de aplicar a compensación de compensación. Aplicouse unha temperatura de compensación diferente a diferentes bloques Intel FPGA porque non se pode aplicar un único valor de compensación en todos os bloques. As seguintes figuras mostran os resultados.

Figura 12. Datos para Intel Stratix 10 Core Fabric

Figura 13. Datos para Intel FPGA H-Tile e L-Tile

Figura 14. Datos para Intel FPGA E-Tile

Figura 15. Datos para Intel FPGA P-Tile

Conclusión

Hai moitos fabricantes de chips sensores de temperatura. Durante a selección de compoñentes, Intel recomenda encarecidamente que seleccione o chip de detección de temperatura coas seguintes consideracións.

1. Seleccione un chip con función de factor de idealidade configurable.
2. Seleccione un chip que teña cancelación de resistencia en serie.
3. Seleccione un chip que admita a compensación beta.
4. Seleccione capacitores que coincidan coas recomendacións do fabricante do chip.
5. Aplique calquera compensación adecuada despois de realizar un pro de temperaturafile estudar.

En función da consideración da implementación e dos resultados da avaliación, debes optimizar o chip de detección de temperatura no teu deseño para acadar a precisión da medición.

Historial de revisión de documentos para AN 769: Guía de implementación de diodos de detección de temperatura remota Intel FPGA

Versión do documento	Cambios
2022.04.06	Corrixiuse o cálculo da temperatura do chip sensor de temperatura no tema sobre a discrepancia do factor de idealidade. Corrixiuse o cálculo de temperatura de compensación example no tema sobre compensación de compensación.
2021.02.09	Lanzamento inicial.

Intel Corporation. Todos os dereitos reservados. Intel, o logotipo de Intel e outras marcas de Intel son marcas comerciais de Intel Corporation ou das súas subsidiarias. Intel garante o rendemento dos seus produtos FPGA e semicondutores segundo as especificacións actuais de acordo coa garantía estándar de Intel, pero resérvase o dereito de facer cambios en calquera produto e servizo en calquera momento e sen previo aviso. Intel non asume ningunha responsabilidade ou responsabilidade derivada da aplicación ou uso de calquera información, produto ou servizo descrito aquí, salvo que Intel o acorde expresamente por escrito. Recoméndase aos clientes de Intel que obteñan a versión máis recente das especificacións do dispositivo antes de confiar en calquera información publicada e antes de facer pedidos de produtos ou servizos.
*Outros nomes e marcas poden ser reclamados como propiedade doutros.

ISO
9001:2015
Rexistrado

Documentos/Recursos

Diodo sensor remoto de temperatura intel AN 769 FPGA [pdfGuía do usuario Diodo sensor remoto de temperatura AN 769 FPGA, AN 769, Diodo sensor remoto de temperatura FPGA, diodo sensor remoto de temperatura, diodo sensor de temperatura, diodo sensor

Referencias

• Manual de usuario