intel AN 769 FPGA リモート温度センシングダイオードユーザーガイド

インテル® FPGA 温度監視システムを使用すると、サードパーティのチップを使用してジャンクション温度 (TJ) を監視できます。この外部温度監視システムは、インテル FPGA の電源がオフになっている場合や構成されていない場合でも機能します。ただし、外部チップとインテル FPGA リモート温度センシング・ダイオード (TSD) の間のインターフェースを設計する際に考慮しなければならないことがいくつかあります。
温度センシングチップを選択するときは、通常、達成したい温度精度に注目します。ただし、最新のプロセス技術と異なるリモート TSD 設計では、設計精度要件を満たすために、温度センシングチップの組み込み機能も考慮する必要があります。

インテル FPGA リモート温度測定システムの仕組みを理解することで、次のことが可能になります。

温度センシングアプリケーションの一般的な問題を発見します。

アプリケーションのニーズ、コスト、および設計時間を満たす最適な温度センシングチップを選択してください。

インテルは、インテルが検証済みのローカル TSD を使用してオンダイ温度を測定することを強くお勧めします。インテルは、さまざまなシステム条件下で外部温度センサーの精度を検証できません。外部温度センサーでリモート TSD を使用する場合は、このドキュメントのガイドラインに従って、温度測定セットアップの精度を検証してください。

このアプリケーションノートは、インテル Stratix® 10 FPGA デバイスファミリーのリモート TSD 実装に適用されます。

実装終了view

外部温度検知チップは、インテル FPGA リモート TSD に接続します。リモート TSD は、PNP または NPN ダイオード接続トランジスタです。

図1. 温度検出チップと Intel FPGA リモート TSD (NPN ダイオード) 間の接続
図2. 温度検出チップと Intel FPGA リモート TSD (PNP ダイオード) 間の接続

次の式は、ベース-エミッタ vol に対するトランジスタの温度を形成します。tage (VBE)。

方程式1. トランジスター温度とベースエミッター電圧の関係tage（VBE）どこ：
- T - 温度 (ケルビン)
- q - 電子電荷 (1.60 × 10-19 C)
- VBE—ベース・エミッター・ボリュームtage
- k—ボルツマン定数 (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC - コレクタ電流
- IS—逆飽和電流
- η—リモートダイオードの理想係数
  式 1 を整理すると、次の式が得られます。

式 2. VBE
通常、温度センシングチップは、適切に制御された 1 つの連続した電流 I2 と I3 を P ピンと N ピンに強制的に流します。次に、チップはダイオードの VBE の変化を測定して平均化します。式 XNUMX に示すように、VBE のデルタは温度に正比例します。

式 3. VBE のデルタどこ：
- n - 強制電流比
- VBE1—ベースエミッタボリュームtage で I1
- VBE2—ベースエミッタボリュームtage で I2

実装に関する考慮事項

適切な機能を備えた温度センシングチップを選択すると、チップを最適化して測定精度を達成できます。チップを選択する際は、関連情報のトピックを考慮してください。

理想係数 (η-Factor) の不一致

外付け温度ダイオードを使用してジャンクション温度測定を行う場合、温度測定の精度は外付けダイオードの特性に依存します。理想係数は、理想的な動作からのダイオードの偏差を測定するリモートダイオードのパラメーターです。
通常、理想係数は、ダイオードメーカーのデータシートに記載されています。外部温度ダイオードが異なると、使用する設計とプロセス技術が異なるため、異なる値が得られます。
理想性の不一致は、重大な温度測定誤差を引き起こす可能性があります。重大なエラーを回避するために、Intel では、構成可能な理想係数を備えた温度センシングチップを選択することをお勧めします。チップ内の理想係数の値を変更して、ミスマッチエラーをなくすことができます。

Examp1 番目. 温度測定誤差への理想係数の寄与

この元ample は、理想係数が温度測定誤差にどのように寄与するかを示しています。元ではample、計算は、重大な温度測定誤差を引き起こす理想性の不一致を示しています。

方程式4. 測定温度に対する理想係数の関係

どこ：

ηTSC - 温度センシングチップの理想係数
TTSC - 温度検知チップによって読み取られた温度
ηRTD—リモート温度ダイオードの理想係数
TRTD—リモート温度ダイオードの温度

次の手順では、次の値が与えられた場合に、温度センシングチップによる温度測定値 (TTSC) を推定します。

温度センサーの理想係数 (ηTSC) は 1.005
リモート温度ダイオード (ηRTD) の理想係数は 1.03
リモート温度ダイオード (TRTD) の実際の温度は 80°C です。

80°C の TRTD をケルビンに変換します: 80 + 273.15 = 353.15 K.
式 4 を適用します。温度センシングチップによって計算された温度は、1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03 です。

計算値を摂氏に変換します。 TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C 理想性の不一致によって生じる温度誤差 (TE):
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

直列抵抗エラー

P ピンと N ピンの直列抵抗は、温度測定誤差の原因となります。

直列抵抗は次の値から選択できます。

温度ダイオードの P ピンと N ピンの内部抵抗。
基板トレース抵抗、例えばampル、長いボードトレース。

直列抵抗により、追加のボリュームが発生しますtage が温度センシングパスで低下し、測定誤差が生じ、温度測定の精度に影響を与えます。通常、この状況は、2 電流温度センシングチップで温度測定を実行するときに発生します。

図3. 内部およびオンボードの直列抵抗直列抵抗が増加したときに発生する温度誤差を説明するために、一部の温度センシングチップメーカーは、抵抗に対するリモートダイオードの温度誤差のデータを提供しています。
ただし、直列抵抗誤差をなくすことはできます。一部の温度センシングチップには、直列抵抗キャンセル機能が組み込まれています。直列抵抗キャンセル機能により、数百Ωの範囲から数千Ωを超える範囲の直列抵抗を除去できます。
インテルでは、温度センシングチップを選択する際に直列抵抗キャンセル機能を考慮することを推奨しています。この機能は、リモートトランジスタへのルーティングの抵抗によって引き起こされる温度誤差を自動的に排除します。

温度ダイオードのベータ変動

プロセス技術の形状が小さくなるにつれて、PNP または NPN 基板のベータ (β) 値が減少します。
温度ダイオードのベータ値が低くなると、特に温度ダイオードのコレクタがグランドに接続されている場合、ベータ値は 3 ページの式 5 の電流比に影響します。したがって、正確な電流比を維持することが重要です。
一部の温度センシングチップには、ベータ補正機能が組み込まれています。回路のベータ変動はベース電流を感知し、エミッタ電流を調整して変動を補償します。ベータ補償はコレクタ電流比を維持します。

図4. Maxim Integrated* の MAX10 ベータ補償が有効になっている Intel Stratix 31730 コアファブリック温度ダイオード
この図は、ベータ補正を有効にした場合に測定精度が達成されることを示しています。測定は、FPGA の電源がオフの状態で行われました。設定温度と測定温度は近いと予想されます。

	0℃	50℃	100℃
ベータ補正オフ	25.0625℃	70.1875℃	116.5625℃
ベータ補正オン	-0.6875℃	49.4375℃	101.875℃

差動入力コンデンサ

P ピンと N ピンのコンデンサ (CF) は、高周波ノイズをフィルタリングして電磁干渉 (EMI) を改善するのに役立つローパスフィルタのように機能します。
大きな静電容量はスイッチド電流源の立ち上がり時間に影響を与え、大きな測定誤差をもたらす可能性があるため、コンデンサの選択には注意が必要です。通常、温度センシングチップの製造元は、データシートで推奨静電容量値を提供しています。静電容量値を決定する前に、コンデンサメーカーの設計ガイドラインまたは推奨事項を参照してください。

図5. 差動入力容量

オフセット補正

複数の要因が同時に測定誤差に寄与する可能性があります。場合によっては、単一の補償方法を適用しても問題が完全に解決されないことがあります。測定誤差を解決するもう XNUMX つの方法は、オフセット補正を適用することです。

注記： インテルでは、オフセット補正が組み込まれた温度センシングチップを使用することをお勧めします。温度センシングチップがこの機能をサポートしていない場合は、カスタムロジックまたはソフトウェアを介して後処理中にオフセット補正を適用できます。
オフセット補償は、温度センシングチップからのオフセットレジスタ値を変更して、計算された誤差を排除します。この機能を使用するには、温度プロを実行する必要がありますfile 適用するオフセット値を調べて特定します。

温度センシングチップのデフォルト設定を使用して、目的の温度範囲にわたって温度測定値を収集する必要があります。その後、次の例のようにデータ分析を実行しますample を使用して、適用するオフセット値を決定します。インテルでは、部品間の変動を確実にカバーするために、複数のリモート温度ダイオードを使用して複数の温度センシングチップをテストすることをお勧めします。次に、分析で測定値の平均を使用して、適用する設定を決定します。
システムの動作条件に基づいて、テストする温度ポイントを選択できます。

式 5. オフセット係数

Examp2 です。 オフセット補正の適用In this example、一連の温度測定値が 5 つの温度ポイントで収集されました。式 XNUMX を値に適用し、オフセット係数を計算します。

表1. オフセット補正を適用する前に収集されたデータ

温度設定		測定温度
100℃	373.15 キロ	111.06℃	384.21 キロ
50℃	323.15 キロ	61.38℃	334.53 キロ
0℃	273.15 キロ	11.31℃	284.46 キロ

温度範囲の中間点を使用して、オフセット温度を計算します。この例ではampつまり、中間点は 50°C の設定温度です。
オフセット温度

＝オフセット係数×（測定温度−設定温度）
= 0.9975 × (334.53 − 323.15)

= 11.35

必要に応じてオフセット温度値とその他の補正係数を温度センシングチップに適用し、測定をやり直します。

表2. オフセット補正適用後に収集されたデータ

温度設定	測定温度	エラー
100℃	101.06℃	1.06℃
50℃	50.13℃	0.13℃
0℃	0.25℃	0.25℃

関連情報
評価結果
を提供しますview Maxim Integrated* および Texas Instruments* の温度センシングチップを使用したオフセット補償方法の評価結果。

評価結果

この評価では、Maxim Integrated* の MAX31730 および Texas Instruments* の TMP468 評価キットが、Intel FPGA の複数のブロックのリモート温度ダイオードとインターフェイスするように変更されました。

表3. 評価済みのブロックとボードモデル

ブロック	温度センシングチップ評価ボード
ブロック	Texas InstrumentsのTMP468	マキシム・インテグレートのMAX31730
インテル Stratix 10 コアファブリック	はい	はい
HタイルまたはLタイル	はい	はい
Eタイル	はい	はい
Pタイル	はい	はい

次の図は、マキシム・インテグレーテッドおよびテキサス・インスツルメンツの評価ボードを使用したインテル FPGA ボードのセットアップを示しています。

図6. Maxim Integrate d の MAX31730 評価ボードでのセットアップ

図7. Texas InstrumentsのTMP468評価ボードでセットアップ

サーマルフォーサー (または温度チャンバーを使用することもできます) は、FPGA を覆って密閉し、設定温度ポイントに従って温度を強制しました。
このテスト中、FPGA は熱の発生を避けるために電力を供給されていない状態のままでした。
各温度テストポイントの浸漬時間は 30 分でした。

評価キットの設定は、メーカーのデフォルト設定を使用しています。
設定後、10 ページのオフセット補正の手順に従って、データの収集と分析を行いました。

Maxim IntegratedのMAX31730温度検出チップ評価ボードによる評価

この評価は、オフセット補正で説明されているセットアップ手順で実施されました。
データは、オフセット補正を適用する前後に収集されました。単一のオフセット値をすべてのブロックに適用することはできないため、インテル FPGA ブロックごとに異なるオフセット温度が適用されました。次の図は、結果を示しています。

図 8. インテル Stratix 10 コアファブリックのデータ

図 9. Intel FPGA H タイルおよび L タイルのデータ

図 10. Intel FPGA E タイルのデータ

図 11. Intel FPGA P タイルのデータ

Texas InstrumentsのTMP468温度検出チップ評価ボードによる評価

図 12. インテル Stratix 10 コアファブリックのデータ

図 13. Intel FPGA H タイルおよび L タイルのデータ

図 14. Intel FPGA E タイルのデータ

図 15. Intel FPGA P タイルのデータ

結論

多くの異なる温度センシングチップメーカーがあります。コンポーネントを選択する際、インテルは次の点を考慮して温度センシングチップを選択することを強くお勧めします。

構成可能な理想係数機能を備えたチップを選択します。
直列抵抗がキャンセルされるチップを選択してください。
ベータ補正をサポートするチップを選択してください。

チップメーカーの推奨に一致するコンデンサを選択します。
温度プロを実行した後、適切な補正を適用しますfile 勉強。

実装に関する考慮事項と評価結果に基づいて、設計内の温度センシングチップを最適化し、測定精度を達成する必要があります。

AN 769 の文書改訂履歴: インテル FPGA リモート温度センシング・ダイオード実装ガイド

ドキュメントバージョン	変更点
2022.04.06	理想係数の不一致に関するトピックの温度センシングチップの温度計算を修正しました。オフセット温度計算例を修正ampオフセット補正に関するトピックのファイル。
2021.02.09	初回リリース。

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ISO
9001:2015
登録済み

ドキュメント / リソース

intel AN 769 FPGA リモート温度検出ダイオード [pdf] ユーザーガイド
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参考文献

ユーザーマニュアル

intel AN 769 FPGA リモート温度検出ダイオード

導入