intel AN 769 FPGA attālās temperatūras sensora diode

Ievads

Mūsdienu elektroniskajās lietojumprogrammās, īpaši lietojumprogrammās, kurām nepieciešama kritiska temperatūras kontrole, mikroshēmas temperatūras mērīšanai ir izšķiroša nozīme.

Augstas veiktspējas sistēmas balstās uz precīziem temperatūras mērījumiem iekštelpu un āra vidē.

• Optimizējiet veiktspēju
• Nodrošiniet uzticamu darbību
• Novērst sastāvdaļu bojājumus

Intel® FPGA temperatūras uzraudzības sistēma ļauj izmantot trešās puses mikroshēmas, lai uzraudzītu savienojuma temperatūru (TJ). Šī ārējā temperatūras uzraudzības sistēma darbojas pat tad, ja Intel FPGA ir izslēgta vai nav konfigurēta. Tomēr ir vairākas lietas, kas jāņem vērā, veidojot saskarni starp ārējo mikroshēmu un Intel FPGA attālās temperatūras noteikšanas diodēm (TSD).
Izvēloties temperatūras sensora mikroshēmu, jūs parasti aplūkojat temperatūras precizitāti, kuru vēlaties sasniegt. Tomēr, izmantojot jaunāko procesa tehnoloģiju un atšķirīgu attālo TSD dizainu, jums jāņem vērā arī temperatūras sensora mikroshēmas iebūvētās funkcijas, lai atbilstu jūsu dizaina precizitātes prasībām.

Izprotot Intel FPGA attālās temperatūras mērīšanas sistēmas darbību, varat:

• Atklājiet izplatītākās problēmas ar temperatūras noteikšanas lietojumprogrammām.
• Izvēlieties vispiemērotāko temperatūras noteikšanas mikroshēmu, kas atbilst jūsu lietojuma vajadzībām, izmaksām un projektēšanas laikam.

Intel stingri iesaka izmērīt temperatūru, izmantojot vietējos TSD, ko Intel ir apstiprinājis. Intel nevar apstiprināt ārējo temperatūras sensoru precizitāti dažādos sistēmas apstākļos. Ja vēlaties izmantot attālos TSD ar ārējiem temperatūras sensoriem, ievērojiet šajā dokumentā sniegtos norādījumus un apstipriniet temperatūras mērīšanas iestatījuma precizitāti.

Šī lietojumprogrammas piezīme attiecas uz attālo TSD ieviešanu Intel Stratix® 10 FPGA ierīču saimē.

Īstenošana beigusiesview

Ārējās temperatūras sensora mikroshēma tiek savienota ar Intel FPGA attālo TSD. Attālinātais TSD ir ar PNP vai NPN diode savienots tranzistors.

• 1. attēls. Savienojums starp temperatūras sensora mikroshēmu un Intel FPGA attālo TSD (NPN diode)
• 2. attēls. Savienojums starp temperatūras sensora mikroshēmu un Intel FPGA attālo TSD (PNP diode)

Sekojošais vienādojums veido tranzistora temperatūru attiecībā pret bāzes emitētāja tilpumutage (VBE).

• 1. vienādojums. Attiecība starp tranzistora temperatūru un bāzes izstarotāju, tilptage (VBE)Kur:
  • T — temperatūra Kelvinos
  • q — elektronu lādiņš (1.60 × 10–19 C)
  • VBE — bāzes izstarotāja tilptage
  • k — Bolcmaņa konstante (1.38 × 10–23 J∙K–1)
  • IC — kolektora strāva
  • IS — apgrieztā piesātinājuma strāva
  • η — tālvadības diodes idealitātes koeficients
    Pārkārtojot 1. vienādojumu, tiek iegūts šāds vienādojums.

• 2. vienādojums. VBE
  Parasti temperatūras noteikšanas mikroshēma piespiež divas secīgas labi kontrolētas strāvas I1 un I2 uz P un N tapām. Pēc tam mikroshēma mēra un vidēji nosaka diodes VBE izmaiņas. Delta VBE ir tieši proporcionāla temperatūrai, kā parādīts 3. vienādojumā.
• 3. vienādojums. Delta VBEKur:
  • n — piespiedu strāvas attiecība
  • VBE1 — bāzes izstarotāja tilptage pie I1
  • VBE2 — bāzes izstarotāja tilptage pie I2

Ieviešanas apsvērumi

Temperatūras sensora mikroshēmas izvēle ar atbilstošām funkcijām ļauj optimizēt mikroshēmu, lai sasniegtu mērījumu precizitāti. Izvēloties mikroshēmu, ņemiet vērā saistītās informācijas tēmas.

Saistītā informācija

• Idealitātes faktora (η-faktora) neatbilstība
• Sērijas pretestības kļūda
• Temperatūras diodes beta variācijas
• Diferenciālais ieejas kondensators
• Ofseta kompensācija

Idealitātes faktora (η-faktora) neatbilstība

Veicot krustojuma temperatūras mērīšanu, izmantojot ārējo temperatūras diodi, temperatūras mērīšanas precizitāte ir atkarīga no ārējās diodes īpašībām. Idealitātes koeficients ir tālvadības diodes parametrs, kas mēra diodes novirzi no tās ideālās darbības.
Idealitātes koeficientu parasti var atrast diodes ražotāja datu lapā. Dažādas ārējās temperatūras diodes sniedz dažādas vērtības, jo tās izmanto atšķirīgās konstrukcijas un procesa tehnoloģijas.
Idealitātes neatbilstība var izraisīt ievērojamu temperatūras mērījumu kļūdu. Lai izvairītos no būtiskas kļūdas, Intel iesaka izvēlēties temperatūras noteikšanas mikroshēmu, kurai ir konfigurējams idealitātes koeficients. Lai novērstu neatbilstības kļūdu, mikroshēmā varat mainīt ideālitātes koeficienta vērtību.

• Examp1. Idealitātes faktora ietekme uz temperatūras mērīšanas kļūdu

Šis bijušaisample parāda, kā idealitātes faktors veicina temperatūras mērīšanas kļūdu. Bijušajāample, aprēķins parāda idealitātes neatbilstību, kas izraisa ievērojamu temperatūras mērījumu kļūdu.

• 4. vienādojums. Idealitātes faktora saistība ar izmērīto temperatūru

Kur:

• ηTSC — temperatūras sensora mikroshēmas idealitātes koeficients
• TTSC — temperatūra, ko nolasa temperatūras sensora mikroshēma
• ηRTD — attālinātās temperatūras diodes idealitātes koeficients
• TRTD — temperatūra pie tālvadības temperatūras diodes

Tālāk norādītās darbības nosaka temperatūras mērījumu (TTSC), izmantojot temperatūras sensora mikroshēmu, ņemot vērā šādas vērtības:

• Temperatūras sensora (ηTSC) idealitātes koeficients ir 1.005
• Attālinātās temperatūras diodes (ηRTD) idealitātes koeficients ir 1.03
• Faktiskā temperatūra pie tālvadības temperatūras diodes (TRTD) ir 80°C

 

1. Pārvērtiet 80°C TRTD uz Kelvinu: 80 + 273.15 = 353.15 K.
2. Lietojiet 4. vienādojumu. Temperatūras noteikšanas mikroshēmas aprēķinātā temperatūra ir 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
3. Pārvērtiet aprēķināto vērtību uz Celsija: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Temperatūras kļūda (TE), ko izraisa idealitātes neatbilstība:
   TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Sērijas pretestības kļūda

Sērijas pretestība uz P un N tapām veicina temperatūras mērīšanas kļūdu.

Sērijas pretestība var būt no:

• Temperatūras diodes P un N kontaktu iekšējā pretestība.
• Plātnes trases pretestība, piemēramample, gara dēļa pēda.

Sērijas pretestība rada papildu tilptage temperatūras uztveršanas ceļā pazeminās un rada mērījumu kļūdu, kas ietekmē temperatūras mērījuma precizitāti. Parasti šī situācija rodas, veicot temperatūras mērījumus ar 2 strāvu temperatūras sensora mikroshēmu.

3. attēls. Iekšējā un borta sērijas pretestībaLai izskaidrotu temperatūras kļūdu, kas rodas, palielinoties sērijas pretestībai, daži temperatūras sensoru mikroshēmu ražotāji sniedz datus par attālās diodes temperatūras kļūdu attiecībā pret pretestību.
Tomēr jūs varat novērst sērijas pretestības kļūdu. Dažai temperatūras noteikšanas mikroshēmai ir iebūvēta sērijas pretestības atcelšanas funkcija. Sērijas pretestības atcelšanas funkcija var novērst sērijas pretestību no dažiem simtiem Ω līdz diapazonam, kas pārsniedz dažus tūkstošus Ω.
Intel iesaka ņemt vērā sērijas pretestības atcelšanas funkciju, izvēloties temperatūras sensora mikroshēmu. Šī funkcija automātiski novērš temperatūras kļūdu, ko izraisa maršruta pretestība attālajam tranzistoram.

Temperatūras diodes beta variācijas

Tā kā procesa tehnoloģiju ģeometrija kļūst mazāka, PNP vai NPN substrāta Beta (β) vērtība samazinās.
Temperatūras diodes beta vērtībai kļūstot zemākai, it īpaši, ja temperatūras diodes kolektors ir piesaistīts zemei, beta vērtība ietekmē strāvas attiecību 3. vienādojumā 5. lpp. Tāpēc ir ļoti svarīgi saglabāt precīzu strāvas attiecību.
Dažām temperatūras noteikšanas mikroshēmām ir iebūvēta Beta kompensācijas funkcija. Shēmas Beta variācija uztver bāzes strāvu un pielāgo emitētāja strāvu, lai kompensētu izmaiņas. Beta kompensācija saglabā kolektora strāvas attiecību.

4. attēls. Intel Stratix 10 kodolu auduma temperatūras diode ar Maxim Integrated* MAX31730 beta kompensāciju
Šis attēls parāda, ka mērījumu precizitāte tiek sasniegta ar iespējotu Beta kompensāciju. Mērījumi tika veikti FPGA izslēgšanas stāvoklī — paredzams, ka iestatītā un izmērītā temperatūra būs tuvu.

	0˚C	50˚C	100˚C
Beta kompensācija izslēgta	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Beta kompensācija ieslēgta	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Diferenciālais ieejas kondensators

Kondensators (CF) uz P un N tapām darbojas kā zemas caurlaidības filtrs, kas palīdz filtrēt augstfrekvences troksni un uzlabot elektromagnētiskos traucējumus (EMI).
Izvēloties kondensatoru, jābūt uzmanīgiem, jo ​​lielā kapacitāte var ietekmēt pārslēgtā strāvas avota pieauguma laiku un radīt milzīgu mērījumu kļūdu. Parasti temperatūras sensora mikroshēmas ražotājs savā datu lapā norāda ieteicamo kapacitātes vērtību. Pirms izlemjat par kapacitātes vērtību, skatiet kondensatora ražotāja projektēšanas vadlīnijas vai ieteikumus.

5. attēls. Diferenciālā ievades kapacitāte

Ofseta kompensācija

Mērījumu kļūdu vienlaikus var veicināt vairāki faktori. Dažkārt, piemērojot vienu kompensācijas metodi, problēma var pilnībā neatrisināt. Vēl viena metode, kā novērst mērījumu kļūdu, ir izmantot nobīdes kompensāciju.

Piezīme:  Intel iesaka izmantot temperatūras noteikšanas mikroshēmu ar iebūvētu nobīdes kompensāciju. Ja temperatūras noteikšanas mikroshēma neatbalsta šo funkciju, pēcapstrādes laikā varat piemērot nobīdes kompensāciju, izmantojot pielāgotu loģiku vai programmatūru.
Nobīdes kompensācija maina temperatūras noteikšanas mikroshēmas nobīdes reģistra vērtību, lai novērstu aprēķināto kļūdu. Lai izmantotu šo funkciju, jums ir jāveic temperatūras noteikšanafile izpētīt un noteikt piemērojamo kompensācijas vērtību.

Jums ir jāapkopo temperatūras mērījumi vēlamajā temperatūras diapazonā ar temperatūras sensora mikroshēmas noklusējuma iestatījumiem. Pēc tam veiciet datu analīzi, kā norādīts tālāk norādītajā piemērāample, lai noteiktu piemērojamo nobīdes vērtību. Intel iesaka pārbaudīt vairākas temperatūras noteikšanas mikroshēmas ar vairākām attālinātām temperatūras diodēm, lai nodrošinātu, ka tiek aptvertas atšķirības starp daļām. Pēc tam analīzē izmantojiet mērījumu vidējo vērtību, lai noteiktu piemērojamos iestatījumus.
Varat izvēlēties testējamos temperatūras punktus, pamatojoties uz jūsu sistēmas darbības stāvokli.

5. vienādojums. Nobīdes koeficients

Example 2. Ofseta kompensācijas piemērošanaŠajā piemample, tika savākts temperatūras mērījumu kopums ar trim temperatūras punktiem. Piemērojiet vērtībām 5. vienādojumu un aprēķiniet nobīdes koeficientu.

1. tabula. Dati, kas apkopoti pirms ieskaita kompensācijas piemērošanas

Iestatīt temperatūru		Izmērītā temperatūra
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

Izmantojiet temperatūras diapazona vidējo punktu, lai aprēķinātu nobīdes temperatūru. Šajā bijušajāample, viduspunkts ir iestatītā temperatūra 50°C.
Nobīdes temperatūra

• = nobīdes koeficients × (izmērītā temperatūra–iestatītā temperatūra)
• = 0.9975 × (334.53–323.15)
• = 11.35

Lietojiet temperatūras nobīdes vērtību un citus kompensācijas koeficientus, ja nepieciešams, temperatūras sensora mikroshēmā un veiciet mērījumu vēlreiz.

2. tabula. Dati, kas savākti pēc ieskaita kompensācijas piemērošanas

Iestatīt temperatūru	Izmērītā temperatūra	Kļūda
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Saistītā informācija
Novērtēšanas rezultāti
Nodrošina review nobīdes kompensācijas metodes ar Maxim Integrated* un Texas Instruments* temperatūras sensoru mikroshēmu novērtēšanas rezultātiem.

Novērtēšanas rezultāti

Novērtējumā Maxim Integrated* MAX31730 un Texas Instruments* TMP468 novērtēšanas komplekti tika modificēti, lai būtu saskarne ar vairāku Intel FPGA bloku attālās temperatūras diodēm.

3. tabula. Novērtētie bloki un dēļu modeļi

Bloķēt	Temperatūras sensoru mikroshēmu novērtēšanas padome
	Texas Instruments TMP468	Maxim Integrate d's MAX31730
Intel Stratix 10 kodola audums	Jā	Jā
H veida flīze vai L veida flīze	Jā	Jā
E-flīze	Jā	Jā
P veida flīze	Jā	Jā

Šajos attēlos parādīta Intel FPGA plates iestatīšana ar Maxim Integrated un Texas Instruments novērtēšanas paneļiem.

6. attēls. Iestatīšana ar Maxim Integrate d's MAX31730 novērtēšanas paneli

7. attēls. Iestatīšana ar Texas Instruments TMP468 novērtēšanas padomi

• Termiskais piespiedējs vai alternatīvi varat izmantot temperatūras kameru, kas pārklāja un aizzīmogoja FPGA un noteica temperatūru atbilstoši iestatītajam temperatūras punktam.
• Šī testa laikā FPGA palika bez strāvas, lai izvairītos no siltuma radīšanas.
• Katra temperatūras testa punkta mērcēšanas laiks bija 30 minūtes.
• Novērtēšanas komplektu iestatījumos tika izmantoti ražotāju noklusējuma iestatījumi.
• Pēc iestatīšanas datu apkopošanai un analīzei tika veiktas darbības, kas norādītas sadaļā Nobīdes kompensācija 10. lpp.

Novērtēšana ar Maxim Integrated MAX31730 temperatūras sensora mikroshēmas novērtēšanas paneli

Šis novērtējums tika veikts, veicot iestatīšanas darbības, kas aprakstītas sadaļā Offset Compensation.
Dati tika apkopoti pirms un pēc ieskaita kompensācijas piemērošanas. Dažādiem Intel FPGA blokiem tika piemērota atšķirīga nobīdes temperatūra, jo vienu nobīdes vērtību nevar piemērot visiem blokiem. Sekojošie skaitļi parāda rezultātus.

8. attēls. Intel Stratix 10 Core Fabric dati

9. attēls. Intel FPGA H-Tile un L-Tile dati

10. attēls. Intel FPGA E-Tile dati

11. attēls. Intel FPGA P-Tile dati

Novērtēšana ar Texas Instruments TMP468 temperatūras sensora mikroshēmas novērtēšanas paneli

Šis novērtējums tika veikts, veicot iestatīšanas darbības, kas aprakstītas sadaļā Offset Compensation.
Dati tika apkopoti pirms un pēc ieskaita kompensācijas piemērošanas. Dažādiem Intel FPGA blokiem tika piemērota atšķirīga nobīdes temperatūra, jo vienu nobīdes vērtību nevar piemērot visiem blokiem. Sekojošie skaitļi parāda rezultātus.

12. attēls. Intel Stratix 10 Core Fabric dati

13. attēls. Intel FPGA H-Tile un L-Tile dati

14. attēls. Intel FPGA E-Tile dati

15. attēls. Intel FPGA P-Tile dati

Secinājums

Ir daudz dažādu temperatūras sensoru mikroshēmu ražotāju. Komponentu atlases laikā Intel stingri iesaka izvēlēties temperatūras noteikšanas mikroshēmu, ņemot vērā tālāk norādītos apsvērumus.

1. Izvēlieties mikroshēmu ar konfigurējamu idealitātes koeficienta funkciju.
2. Izvēlieties mikroshēmu, kurai ir sērijas pretestības atcelšana.
3. Izvēlieties mikroshēmu, kas atbalsta Beta kompensāciju.
4. Izvēlieties kondensatorus, kas atbilst mikroshēmas ražotāja ieteikumiem.
5. Pēc temperatūras noteikšanas veiciet atbilstošu kompensācijufile pētījums.

Pamatojoties uz ieviešanas apsvērumiem un novērtējuma rezultātiem, jums ir jāoptimizē temperatūras sensora mikroshēma savā dizainā, lai sasniegtu mērījumu precizitāti.

Dokumenta pārskatīšanas vēsture AN 769: Intel FPGA attālās temperatūras noteikšanas diodes ieviešanas rokasgrāmata

Dokumenta versija	Izmaiņas
2022.04.06	Izlabots temperatūras sensora mikroshēmas temperatūras aprēķins tēmā par idealitātes koeficienta neatbilstību. Labots nobīdes temperatūras aprēķins, piemample tēmā par ieskaita kompensāciju.
2021.02.09	Sākotnējā izlaišana.

Intel korporācija. Visas tiesības aizsargātas. Intel, Intel logotips un citas Intel preču zīmes ir Intel Corporation vai tās meitasuzņēmumu preču zīmes. Intel garantē savu FPGA un pusvadītāju produktu veiktspēju atbilstoši pašreizējām specifikācijām saskaņā ar Intel standarta garantiju, taču patur tiesības jebkurā laikā bez brīdinājuma veikt izmaiņas jebkuros produktos un pakalpojumos. Intel neuzņemas nekādu atbildību vai saistības, kas izriet no jebkādas šeit aprakstītās informācijas, produkta vai pakalpojuma lietojuma vai izmantošanas, izņemot gadījumus, kad Intel ir nepārprotami rakstiski piekritis. Intel klientiem ieteicams iegūt jaunāko ierīces specifikāciju versiju, pirms paļauties uz jebkādu publicētu informāciju un pirms preču vai pakalpojumu pasūtījumu veikšanas.
*Citi nosaukumi un zīmoli var tikt uzskatīti par citu personu īpašumiem.

ISO
9001:2015
Reģistrēts

Dokumenti / Resursi

intel AN 769 FPGA attālās temperatūras sensora diode [pdfLietotāja rokasgrāmata AN 769 FPGA attālās temperatūras sensora diode, AN 769, FPGA attālās temperatūras sensora diode, tālvadības temperatūras sensora diode, temperatūras sensora diode, sensora diode

Atsauces

• Lietotāja rokasgrāmata