intel AN 769 FPGA távoli hőmérséklet-érzékelő dióda

Bevezetés

A modern elektronikus alkalmazásokban, különösen az olyan alkalmazásokban, amelyek kritikus hőmérséklet-szabályozást igényelnek, a chipen történő hőmérsékletmérés kulcsfontosságú.

A nagy teljesítményű rendszerek pontos hőmérsékletméréseken alapulnak bel- és kültéri környezetben.

• A teljesítmény optimalizálása
• Biztosítsa a megbízható működést
• Kerülje el az alkatrészek sérülését

Az Intel® FPGA hőmérséklet-figyelő rendszer lehetővé teszi harmadik féltől származó chipek használatát a csatlakozási hőmérséklet (TJ) figyelésére. Ez a külső hőmérséklet-figyelő rendszer akkor is működik, ha az Intel FPGA ki van kapcsolva vagy nincs konfigurálva. Számos dolgot azonban figyelembe kell vennie, amikor a külső chip és az Intel FPGA távoli hőmérséklet-érzékelő diódák (TSD-k) közötti interfészt tervezi.
Hőmérséklet-érzékelő chip kiválasztásakor általában az elérni kívánt hőmérsékleti pontosságot kell figyelembe vennie. A legújabb technológiai technológiával és a távoli TSD eltérő kialakításával azonban figyelembe kell vennie a hőmérséklet-érzékelő chip beépített funkcióit is, hogy megfeleljen a tervezési pontossági követelményeknek.

Az Intel FPGA távoli hőmérsékletmérő rendszer működésének megértésével:

• Fedezze fel a hőmérséklet-érzékelő alkalmazásokkal kapcsolatos gyakori problémákat.
• Válassza ki a legmegfelelőbb hőmérséklet-érzékelő chipet, amely megfelel az alkalmazási igényeknek, a költségeknek és a tervezési időnek.

Az Intel nyomatékosan javasolja, hogy az Intel által jóváhagyott helyi TSD-kkel mérje meg a hőmérsékletet. Az Intel nem tudja ellenőrizni a külső hőmérséklet-érzékelők pontosságát különböző rendszerkörülmények között. Ha a távoli TSD-ket külső hőmérséklet-érzékelőkkel kívánja használni, kövesse az ebben a dokumentumban található irányelveket, és ellenőrizze a hőmérsékletmérés beállításának pontosságát.

Ez az alkalmazási megjegyzés az Intel Stratix® 10 FPGA eszközcsalád távoli TSD-megvalósítására vonatkozik.

Végrehajtás végeview

A külső hőmérséklet-érzékelő chip az Intel FPGA távoli TSD-hez csatlakozik. A távoli TSD egy PNP vagy NPN diódával csatlakoztatott tranzisztor.

• 1. ábra. Csatlakozás a hőmérsékletérzékelő chip és az Intel FPGA távoli TSD (NPN dióda) között
• 2. ábra. Csatlakozás a hőmérsékletérzékelő chip és az Intel FPGA távoli TSD (PNP dióda) között

A következő egyenlet egy tranzisztor hőmérsékletét képezi a bázis-emitter térfogatához viszonyítvatage (VBE).

• 1. egyenlet. A tranzisztor és a bázis-kibocsátó hőmérséklete közötti kapcsolat XNUMX. kötettage (VBE)Ahol:
  • T – Hőmérséklet Kelvinben
  • q – az elektron töltése (1.60 × 10–19 C)
  • VBE – bázis-kibocsátó köttage
  • k – Boltzmann-állandó (1.38 × 10–23 J∙K–1)
  • IC – a kollektor árama
  • IS – a fordított telítési áram
  • η – a távoli dióda idealitási tényezője
    Az 1. egyenletet átrendezve a következő egyenletet kapjuk.

• 2. egyenlet. VBE
  A hőmérséklet-érzékelő chip jellemzően két egymást követő, jól szabályozott áramot, az I1-et és az I2-t kényszeríti a P és N érintkezőkre. A chip ezután méri és átlagolja a dióda VBE változását. A VBE-ben a delta egyenesen arányos a hőmérséklettel, amint azt a 3. egyenlet mutatja.
• 3. egyenlet Delta a VBE-benAhol:
  • n – erőltetett áramarány
  • VBE1 – alap-kibocsátó köttage az I1-nél
  • VBE2 – alap-kibocsátó köttage az I2-nél

Megvalósítási mérlegelés

A megfelelő tulajdonságokkal rendelkező hőmérséklet-érzékelő chip kiválasztása lehetővé teszi a chip optimalizálását a mérési pontosság elérése érdekében. A chip kiválasztásakor vegye figyelembe a kapcsolódó információkban szereplő témákat.

Kapcsolódó információk

• Idealitástényező (η-faktor) Nem megfelelő
• Sorozat ellenállási hiba
• Hőmérséklet dióda béta variáció
• Differenciál bemeneti kondenzátor
• Offset Kompenzáció

Idealitástényező (η-faktor) Nem megfelelő

Ha külső hőmérséklet-dióda használatával méri a csomóponti hőmérsékletet, a hőmérsékletmérés pontossága a külső dióda jellemzőitől függ. Az idealitási tényező egy távoli dióda paramétere, amely a dióda ideális viselkedésétől való eltérését méri.
Az ideálissági tényezőt általában a diódagyártó adatlapján találja meg. A különböző külső hőmérséklet-diódák eltérő értékeket adnak az általuk használt tervezési és folyamattechnológiák miatt.
Az ideális eltérés jelentős hőmérsékletmérési hibát okozhat. A jelentős hiba elkerülése érdekében az Intel azt javasolja, hogy olyan hőmérsékletérzékelő chipet válasszon, amely konfigurálható ideálissági tényezővel rendelkezik. Az illesztési hiba kiküszöbölése érdekében megváltoztathatja az idealitási tényező értékét a chipben.

• Example 1. Az ideálissági tényező hozzájárulása a hőmérséklet mérési hibához

Ez az example mutatja, hogy az idealitási tényező hogyan járul hozzá a hőmérsékletmérés hibájához. Az example, a számítás a jelentős hőmérsékletmérési hibát okozó idealitási eltérést mutatja.

• 4. egyenlet. Idealitástényező kapcsolata a mért hőmérséklettel

Ahol:

• ηTSC – a hőmérséklet-érzékelő chip ideálissági tényezője
• TTSC – a hőmérséklet-érzékelő chip által leolvasott hőmérséklet
• ηRTD – a távoli hőmérséklet-dióda ideálissági tényezője
• TRTD – hőmérséklet a távoli hőmérséklet diódán

A következő lépések a hőmérséklet-érzékelő chip általi hőmérsékletmérést (TTSC) becsülik meg, a következő értékek alapján:

• A hőmérséklet-érzékelő ideálissági tényezője (ηTSC) 1.005
• A távoli hőmérséklet-dióda (ηRTD) ideálissági tényezője 1.03
• A távhőmérséklet-dióda (TRTD) tényleges hőmérséklete 80°C

 

1. A 80°C-os TRTD átváltása Kelvinre: 80 + 273.15 = 353.15 K.
2. Alkalmazza a 4. egyenletet. A hőmérséklet-érzékelő chip által számított hőmérséklet 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
3. A számított értéket váltsa át Celsius fokra: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Az idealitási eltérés okozta hőmérsékleti hiba (TE):
   TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Sorozat ellenállási hiba

A P és N érintkezők soros ellenállása hozzájárul a hőmérséklet mérési hibájához.

A soros ellenállás a következőkből származhat:

• A hőmérsékletdióda P és N tűjének belső ellenállása.
• A tábla nyomkövetési ellenállása, plample, egy hosszú táblanyom.

A soros ellenállás további voltage csökken a hőmérséklet érzékelési útvonalán, és mérési hibát eredményez, ami befolyásolja a hőmérsékletmérés pontosságát. Általában ez a helyzet akkor fordul elő, ha hőmérsékletmérést végez egy 2-áramú hőmérséklet-érzékelő chippel.

3. ábra. Belső és fedélzeti sorozatú ellenállásA soros ellenállás növekedése során fellépő hőmérsékleti hiba magyarázatára néhány hőmérséklet-érzékelő chip-gyártó megadja a távoli dióda hőmérsékleti hibájának és az ellenállásnak az adatait.
A soros ellenállási hibát azonban kiküszöbölheti. Egyes hőmérséklet-érzékelő chipek beépített soros ellenállás-törlési funkcióval rendelkeznek. A soros ellenállás-kioltó funkció kiküszöbölheti a soros ellenállást néhány száz Ω-tól néhány ezer Ω-ot meghaladó tartományig.
Az Intel azt javasolja, hogy vegye figyelembe a soros ellenállás-törlés funkciót, amikor kiválasztja a hőmérséklet-érzékelő chipet. A funkció automatikusan kiküszöböli a távoli tranzisztorhoz való továbbítás ellenállása által okozott hőmérsékleti hibát.

Hőmérséklet dióda béta variáció

A folyamattechnológiai geometriák csökkenésével a PNP vagy NPN szubsztrát Beta(β) értéke csökken.
Ahogy a hőmérséklet-dióda béta értéke csökken, különösen, ha a hőmérsékleti dióda kollektora földhöz van kötve, a béta érték befolyásolja az áramarányt az 3. oldalon található 5. egyenletben. Ezért a pontos áramarány fenntartása kulcsfontosságú.
Egyes hőmérséklet-érzékelő chipek beépített béta kompenzációs funkcióval rendelkeznek. Az áramkör béta variációja érzékeli az alapáramot, és beállítja az emitter áramát, hogy kompenzálja a változást. A Béta kompenzáció fenntartja a kollektoráram arányát.

4. ábra. Intel Stratix 10 Core Fabric hőmérséklet dióda Maxim Integrated* MAX31730 béta kompenzációval
Ez az ábra azt mutatja, hogy a mérési pontosság akkor érhető el, ha a béta kompenzáció engedélyezett. A mérések az FPGA kikapcsolási állapotában történtek – a beállított és mért hőmérséklet várhatóan közel lesz.

	0˚C	50˚C	100˚C
Béta kompenzáció kikapcsolva	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Béta kompenzáció bekapcsolva	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Differenciál bemeneti kondenzátor

A P és N érintkezőkön lévő kondenzátor (CF) aluláteresztő szűrőként működik, amely segít kiszűrni a nagyfrekvenciás zajokat és javítja az elektromágneses interferenciát (EMI).
A kondenzátor kiválasztásakor óvatosnak kell lenni, mert a nagy kapacitás befolyásolhatja a kapcsolt áramforrás felfutási idejét és hatalmas mérési hibát okozhat. Általában a hőmérsékletérzékelő chip gyártója megadja az ajánlott kapacitásértéket az adatlapján. A kapacitásérték meghatározása előtt olvassa el a kondenzátor gyártójának tervezési irányelveit vagy ajánlásait.

5. ábra. Differenciális bemeneti kapacitás

Offset Kompenzáció

Egyszerre több tényező is hozzájárulhat a mérési hibához. Előfordulhat, hogy egyetlen kompenzációs módszer alkalmazása nem oldja meg teljesen a problémát. A mérési hiba megoldásának másik módja az eltolás kompenzáció alkalmazása.

Jegyzet:  Az Intel beépített eltoláskompenzációval rendelkező hőmérséklet-érzékelő chip használatát javasolja. Ha a hőmérséklet-érzékelő chip nem támogatja ezt a funkciót, alkalmazhat eltoláskompenzációt az utófeldolgozás során egyéni logikán vagy szoftveren keresztül.
Az eltoláskompenzáció megváltoztatja a hőmérséklet-érzékelő chip eltolási regiszter értékét, hogy kiküszöbölje a számított hibát. Ennek a funkciónak a használatához el kell végeznie a hőmérséklet pro-tfile tanulmányozza és határozza meg az alkalmazandó eltolási értéket.

Hőmérsékletméréseket kell gyűjtenie a kívánt hőmérsékleti tartományban a hőmérsékletérzékelő chip alapértelmezett beállításaival. Ezt követően végezze el az adatelemzést a következő példában leírtak szerintample az alkalmazandó eltolási érték meghatározásához. Az Intel azt javasolja, hogy teszteljen több hőmérséklet-érzékelő chipet több távoli hőmérséklet-diódával, hogy biztosan lefedje a részenkénti eltéréseket. Ezután használja a mérési átlagokat az elemzésben az alkalmazandó beállítások meghatározásához.
Kiválaszthatja a tesztelni kívánt hőmérsékleti pontokat a rendszer működési körülményei alapján.

5. egyenlet. Eltolási tényező

Example 2. Offset kompenzáció alkalmazása Ebben a plample, három hőmérsékleti ponttal gyűjtöttünk össze hőmérsékletméréseket. Alkalmazza az 5. egyenletet az értékekre, és számítsa ki az eltolási tényezőt.

1. táblázat. Az eltolási kompenzáció alkalmazása előtt gyűjtött adatok

Hőmérséklet beállítása		Mért hőmérséklet
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

Az eltolási hőmérséklet kiszámításához használja a hőmérséklet-tartomány középső pontját. Ebben az example, a középpont az 50°C-os beállított hőmérséklet.
Offset hőmérséklet

• = Eltolási tényező × (Mért hőmérséklet–Beállított hőmérséklet)
• = 0.9975 × (334.53–323.15)
• = 11.35

Alkalmazza az eltolási hőmérséklet értéket és egyéb kompenzációs tényezőket, ha szükséges, a hőmérséklet-érzékelő chipre, és végezze el újra a mérést.

2. táblázat. Az eltolási kompenzáció alkalmazása után gyűjtött adatok

Hőmérséklet beállítása	Mért hőmérséklet	Hiba
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Kapcsolódó információk
Értékelési eredmények
Review a Maxim Integrated* és Texas Instruments* hőmérsékletérzékelő chipekkel végzett ofszetkompenzációs módszer értékelési eredményei közül.

Értékelési eredmények

Az értékelés során a Maxim Integrated* MAX31730 és a Texas Instruments* TMP468 kiértékelő készleteit úgy módosították, hogy az Intel FPGA több blokkjának távoli hőmérséklet-diódáihoz kapcsolódjanak.

3. táblázat. Értékelt blokkok és táblamodellek

Tömb	Hőmérsékletérzékelő Chip Értékelő Testület
	Texas Instruments TMP468	Maxim Integrate d's MAX31730
Intel Stratix 10 mag szövet	Igen	Igen
H-csempe vagy L-csempe	Igen	Igen
E-csempe	Igen	Igen
P-csempe	Igen	Igen

A következő ábrák az Intel FPGA kártya beállítását mutatják be a Maxim Integrated és a Texas Instruments kiértékelő kártyákkal.

6. ábra. Beállítás a Maxim Integrate d's MAX31730 értékelő táblával

7. ábra. Beállítás a Texas Instruments TMP468 értékelő táblájával

• Termikus erőmérő – vagy alternatívaként használhat hőmérsékleti kamrát – lefedte és lezárta az FPGA-t, és a hőmérsékletet a beállított hőmérsékleti pontnak megfelelően kényszerítette.
• A teszt során az FPGA áram nélkül maradt, hogy elkerülje a hőtermelést.
• Az áztatási idő minden hőmérsékleti vizsgálati pontnál 30 perc volt.
• Az értékelőkészletek beállításai a gyártók alapértelmezett beállításait használták.
• A beállítás után az Eltoláskompenzáció (10. oldal) lépéseit követték az adatgyűjtés és -elemzés során.

Kiértékelés a Maxim Integrated MAX31730 hőmérsékletérzékelő chip kiértékelő táblájával

Ezt az értékelést az Eltoláskompenzáció című részben leírt beállítási lépésekkel végezték el.
Az adatgyűjtés az ellentételezés alkalmazása előtt és után történt. Különböző eltolási hőmérsékletet alkalmaztak a különböző Intel FPGA blokkokhoz, mivel egyetlen eltolási érték nem alkalmazható minden blokkra. Az alábbi ábrák az eredményeket mutatják.

8. ábra: Intel Stratix 10 Core Fabric adatai

9. ábra: Intel FPGA H-Tile és L-Tile adatok

10. ábra: Intel FPGA E-Tile adatok

11. ábra: Intel FPGA P-Tile adatok

Kiértékelés a Texas Instruments TMP468 hőmérsékletérzékelő chip-kiértékelő táblájával

Ezt az értékelést az Eltoláskompenzáció című részben leírt beállítási lépésekkel végezték el.
Az adatgyűjtés az ellentételezés alkalmazása előtt és után történt. Különböző eltolási hőmérsékletet alkalmaztak a különböző Intel FPGA blokkokhoz, mivel egyetlen eltolási érték nem alkalmazható minden blokkra. Az alábbi ábrák az eredményeket mutatják.

12. ábra: Intel Stratix 10 Core Fabric adatai

13. ábra: Intel FPGA H-Tile és L-Tile adatok

14. ábra: Intel FPGA E-Tile adatok

15. ábra: Intel FPGA P-Tile adatok

Következtetés

Számos különböző hőmérséklet-érzékelő chip gyártó létezik. A komponens kiválasztása során az Intel nyomatékosan javasolja, hogy a hőmérséklet-érzékelő chipet a következő szempontok figyelembevételével válassza ki.

1. Válasszon ki egy konfigurálható idealitási tényezővel rendelkező chipet.
2. Válasszon ki egy olyan chipet, amelyik rendelkezik sorozatellenállás törléssel.
3. Válasszon egy chipet, amely támogatja a béta kompenzációt.
4. Válassza ki a chip gyártójának ajánlásainak megfelelő kondenzátorokat.
5. Alkalmazza a megfelelő kompenzációt a hőmérséklet pro végrehajtása utánfile tanulmány.

Az implementáció megfontolása és az értékelés eredményei alapján a mérési pontosság elérése érdekében optimalizálnia kell a tervezési hőmérséklet-érzékelő chipet.

Az AN 769 dokumentum felülvizsgálati előzményei: Intel FPGA távoli hőmérsékletérzékelő dióda megvalósítási útmutató

Dokumentum verzió	Változások
2022.04.06	Javítottuk a hőmérséklet-érzékelő chip hőmérséklet-számítását az idealitási tényező eltéréséről szóló témakörben. Javítva az eltolási hőmérséklet számítás plample az offset kompenzációról szóló témában.
2021.02.09	Kezdeti kiadás.

Intel Corporation. Minden jog fenntartva. Az Intel, az Intel logó és más Intel védjegyek az Intel Corporation vagy leányvállalatai védjegyei. Az Intel szavatolja FPGA és félvezető termékeinek aktuális specifikációi szerinti teljesítményét, az Intel szabványos garanciájával összhangban, de fenntartja a jogot, hogy bármely terméket és szolgáltatást előzetes értesítés nélkül módosítson. Az Intel nem vállal felelősséget az itt leírt információk, termékek vagy szolgáltatások alkalmazásából vagy használatából eredően, kivéve, ha az Intel kifejezetten írásban beleegyezik. Az Intel ügyfeleinek azt tanácsoljuk, hogy szerezzék be az eszközspecifikációk legfrissebb verzióját, mielőtt bármilyen közzétett információra hagyatkoznának, és mielőtt megrendelnék termékeket vagy szolgáltatásokat.
*Más nevek és márkák mások tulajdonát képezhetik.

ISO
9001:2015
Bejegyzett

Dokumentumok / Források

intel AN 769 FPGA távoli hőmérséklet-érzékelő dióda [pdf] Felhasználói útmutató AN 769 FPGA távoli hőmérséklet-érzékelő dióda, AN 769, FPGA távhőmérséklet-érzékelő dióda, távhőmérséklet-érzékelő dióda, hőmérséklet-érzékelő dióda, érzékelő dióda

Hivatkozások

• Felhasználói kézikönyv