Intel AN 769 FPGA temperatuurdetectiediode op afstand

Invoering

In moderne elektronische toepassingen, vooral toepassingen die kritische temperatuurregeling vereisen, is temperatuurmeting op de chip van cruciaal belang.

Hoogwaardige systemen zijn afhankelijk van nauwkeurige temperatuurmetingen voor binnen- en buitenomgevingen.

• Optimaliseer prestaties
• Zorg voor een betrouwbare werking
• Voorkom schade aan componenten

Met het Intel® FPGA-temperatuurbewakingssysteem kunt u chips van derden gebruiken om de junctietemperatuur (TJ) te bewaken. Dit externe temperatuurbewakingssysteem werkt zelfs als de Intel FPGA is uitgeschakeld of niet is geconfigureerd. Er zijn echter verschillende dingen waarmee u rekening moet houden bij het ontwerpen van de interface tussen de externe chip en de Intel FPGA externe temperatuursensordiodes (TSD's).
Wanneer u een temperatuursensorchip selecteert, kijkt u doorgaans naar de temperatuurnauwkeurigheid die u wilt bereiken. Met de nieuwste procestechnologie en een ander extern TSD-ontwerp moet u echter ook rekening houden met de ingebouwde functies van de temperatuursensorchip om aan uw ontwerpnauwkeurigheidseisen te voldoen.

Door de werking van het Intel FPGA-systeem voor temperatuurmeting op afstand te begrijpen, kunt u:

• Ontdek veelvoorkomende problemen met temperatuurdetectietoepassingen.
• Selecteer de meest geschikte temperatuursensorchip die voldoet aan uw toepassingsbehoeften, kosten en ontwerptijd.

Intel raadt u ten zeerste aan de on-die-temperatuur te meten met behulp van lokale TSD's, die Intel heeft gevalideerd. Intel kan de nauwkeurigheid van externe temperatuursensoren onder verschillende systeemomstandigheden niet valideren. Als u de externe TSD's met externe temperatuursensoren wilt gebruiken, volgt u de richtlijnen in dit document en valideert u de nauwkeurigheid van uw temperatuurmetingsopstelling.

Deze toepassingsnota is van toepassing op de externe TSD-implementatie voor de Intel Stratix® 10 FPGA-apparaatfamilie.

Implementatie voorbijview

De externe temperatuursensorchip wordt aangesloten op de Intel FPGA externe TSD. De externe TSD is een PNP- of NPN-diode-aangesloten transistor.

• Figuur 1. Verbinding tussen temperatuurdetectiechip en Intel FPGA Remote TSD (NPN-diode)
• Figuur 2. Verbinding tussen temperatuurdetectiechip en Intel FPGA Remote TSD (PNP-diode)

De volgende vergelijking vormt de temperatuur van een transistor in relatie tot het basis-emittervolumetage (VBE).

• Vergelijking 1. Relatie tussen temperatuur van transistor en basis-emitter Voltage (VBE)Waar:
  • T—Temperatuur in Kelvin
  • q - de elektronenlading (1.60 × 10−19 C)
  • VBE - basis-emitter voltage
  • k —Boltzmann-constante (1.38 × 10−23 J∙K−1)
  • IC—de collectorstroom
  • IS: de omgekeerde verzadigingsstroom
  • η - de idealiteitsfactor van de externe diode
    Als je vergelijking 1 herschikt, krijg je de volgende vergelijking.

• Vergelijking 2. VBE
  Normaal gesproken dwingt de temperatuursensorchip twee opeenvolgende, goed gecontroleerde stromen, I1 en I2, op de P- en N-pinnen. De chip meet en middelt vervolgens de verandering van de VBE van de diode. De delta in VBE is rechtevenredig met de temperatuur, zoals weergegeven in vergelijking 3.
• Vergelijking 3. Delta in VBEWaar:
  • n - geforceerde stroomverhouding
  • VBE1 - basis-emitter voltage bij I1
  • VBE2 - basis-emitter voltage bij I2

Implementatieoverweging

Door de temperatuursensorchip met de juiste functies te selecteren, kunt u de chip optimaliseren om meetnauwkeurigheid te bereiken. Houd rekening met de onderwerpen in de gerelateerde informatie wanneer u de chip selecteert.

Gerelateerde informatie

• Idealiteitsfactor (η-factor) Mismatch
• Serieweerstandsfout
• Temperatuurdiode Bètavariatie
• Differentiële ingangscondensator
• Compensatie compenseren

Idealiteitsfactor (η-factor) Mismatch

Wanneer u een junctietemperatuurmeting uitvoert met behulp van een externe temperatuurdiode, hangt de nauwkeurigheid van de temperatuurmeting af van de kenmerken van de externe diode. De idealiteitsfactor is een parameter van een op afstand gelegen diode die de afwijking van de diode van zijn ideale gedrag meet.
De idealiteitsfactor vindt u meestal op het gegevensblad van de diodefabrikant. Verschillende externe temperatuurdiodes geven verschillende waarden vanwege de verschillende ontwerp- en procestechnologieën die ze gebruiken.
Idealiteitsmismatch kan een aanzienlijke temperatuurmeetfout veroorzaken. Om deze aanzienlijke fout te voorkomen, raadt Intel aan dat u een temperatuurgevoelige chip selecteert met een configureerbare idealiteitsfactor. U kunt de idealiteitsfactorwaarde in de chip wijzigen om de mismatch-fout te elimineren.

• Exampde 1. Idealiteitsfactor Bijdrage aan temperatuurmeetfouten

Deze example laat zien hoe de idealiteitsfactor bijdraagt ​​aan de temperatuurmeetfout. In de exampZo toont de berekening aan dat de idealiteitsmismatch een aanzienlijke temperatuurmeetfout veroorzaakt.

• Vergelijking 4. Idealiteitsfactorrelatie met gemeten temperatuur

Waar:

• ηTSC: idealiteitsfactor van de temperatuursensorchip
• TTSC: temperatuur gelezen door de temperatuursensorchip
• ηRTD: idealiteitsfactor van de externe temperatuurdiode
• TRTD: temperatuur bij de externe temperatuurdiode

De volgende stappen schatten de temperatuurmeting (TTSC) door de temperatuursensorchip, gegeven de volgende waarden:

• Idealiteitsfactor van de temperatuursensor (ηTSC) is 1.005
• De idealiteitsfactor van de externe temperatuurdiode (ηRTD) is 1.03
• De werkelijke temperatuur bij de externe temperatuurdiode (TRTD) is 80°C

 

1. Converteer de TRTD van 80°C naar Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
2. Pas vergelijking 4 toe. De berekende temperatuur door de temperatuursensorchip is 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
3. Converteer de berekende waarde naar Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C De temperatuurfout (TE) veroorzaakt door de idealiteitsmismatch:
   TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Serieweerstandsfout

De serieweerstand op de P- en N-pinnen draagt ​​bij aan temperatuurmeetfouten.

De serieweerstand kan zijn van:

• De interne weerstand van de P- en N-pin van de temperatuurdiode.
• De traceerweerstand van het bord, bijvample, een lang bordspoor.

De serieweerstand veroorzaakt extra voltage dalen op het temperatuurdetectiepad en resulteert in meetfouten, waardoor de nauwkeurigheid van de temperatuurmeting wordt beïnvloed. Deze situatie doet zich doorgaans voor wanneer u temperatuurmetingen uitvoert met een temperatuursensorchip met twee stroomsterktes.

Figuur 3. Interne en ingebouwde serieweerstandOm de temperatuurfout te verklaren die ontstaat wanneer de serieweerstand toeneemt, levert een fabrikant van temperatuursensorchips de gegevens voor de temperatuurfout van de externe diode versus de weerstand.
U kunt de serieweerstandsfout echter elimineren. Sommige temperatuurgevoelige chips hebben een ingebouwde functie voor het opheffen van de serieweerstand. De functie voor het opheffen van de serieweerstand kan de serieweerstand elimineren van een bereik van een paar honderd Ω tot een bereik van meer dan een paar duizend Ω.
Intel raadt aan dat u rekening houdt met de functie voor het annuleren van de serieweerstand wanneer u de temperatuursensorchip selecteert. Deze functie elimineert automatisch de temperatuurfout die wordt veroorzaakt door de weerstand van de routering naar de externe transistor.

Temperatuurdiode Bètavariatie

Naarmate de geometrieën van de procestechnologie kleiner worden, neemt de bèta(β)-waarde van het PNP- of NPN-substraat af.
Naarmate de bètawaarde van de temperatuurdiode lager wordt, vooral als de temperatuurdiodecollector met aarde is verbonden, beïnvloedt de bètawaarde de stroomverhouding in vergelijking 3 op pagina 5. Daarom is het handhaven van een nauwkeurige stroomverhouding van cruciaal belang.
Sommige temperatuursensorchips hebben een ingebouwde bètacompensatiefunctie. De bètavariatie van het circuit detecteert de basisstroom en past de emitterstroom aan om de variatie te compenseren. De bètacompensatie handhaaft de collectorstroomverhouding.

Figuur 4. Intel Stratix 10 Core Fabric-temperatuurdiode met Maxim Integrated*'s MAX31730 bètacompensatie ingeschakeld
Deze afbeelding laat zien dat de meetnauwkeurigheid wordt bereikt als bètacompensatie is ingeschakeld. De metingen zijn uitgevoerd tijdens het uitschakelen van de FPGA; de ingestelde en gemeten temperaturen zullen naar verwachting dichtbij elkaar liggen.

	0˚C	50˚C	100˚C
Bètacompensatie uitgeschakeld	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Bètacompensatie ingeschakeld	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Differentiële ingangscondensator

De condensator (CF) op P- en N-pinnen werkt als een laagdoorlaatfilter dat helpt de hoogfrequente ruis te filteren en de elektromagnetische interferentie (EMI) te verbeteren.
U moet voorzichtig zijn bij het selecteren van de condensator, omdat de grote capaciteit de stijgtijd van de geschakelde stroombron kan beïnvloeden en een enorme meetfout kan veroorzaken. Normaal gesproken vermeldt de fabrikant van de temperatuursensorchip de aanbevolen capaciteitswaarde in zijn gegevensblad. Raadpleeg de ontwerprichtlijnen of aanbevelingen van de fabrikant van de condensator voordat u de capaciteitswaarde bepaalt.

Figuur 5. Differentiële ingangscapaciteit

Compensatie compenseren

Meerdere factoren kunnen tegelijkertijd bijdragen aan de meetfout. Soms kan het toepassen van één enkele compensatiemethode het probleem niet volledig oplossen. Een andere methode om de meetfout op te lossen is het toepassen van offsetcompensatie.

Opmerking:  Intel raadt u aan een temperatuurgevoelige chip met ingebouwde offsetcompensatie te gebruiken. Als de temperatuurgevoelige chip deze functie niet ondersteunt, kunt u tijdens de nabewerking offsetcompensatie toepassen via aangepaste logica of software.
Offsetcompensatie verandert de offsetregisterwaarde van de temperatuursensorchip om de berekende fout te elimineren. Om deze functie te gebruiken, moet u een temperatuurtest uitvoerenfile bestudeer en identificeer de toe te passen compensatiewaarde.

U moet temperatuurmetingen verzamelen over het gewenste temperatuurbereik met de standaardinstellingen van de temperatuursensorchip. Voer daarna de gegevensanalyse uit zoals in de volgende voorbeeldample om de toe te passen offsetwaarde te bepalen. Intel raadt aan dat u verschillende temperatuursensorchips test met verschillende externe temperatuurdioden om er zeker van te zijn dat u de variaties van onderdeel tot onderdeel kunt dekken. Gebruik vervolgens het meetgemiddelde in de analyse om te bepalen welke instellingen moeten worden toegepast.
U kunt de te testen temperatuurpunten selecteren op basis van de werkingscondities van uw systeem.

Vergelijking 5. Offsetfactor

Exampde 2. Toepassing van compensatiecompensatieIn deze example, een reeks temperatuurmetingen werd verzameld met drie temperatuurpunten. Pas vergelijking 5 toe op de waarden en bereken de offsetfactor.

Tabel 1. Gegevens verzameld vóór toepassing van compensatiecompensatie

Temperatuur instellen		Gemeten temperatuur
100°C	373.15K	111.06°C	384.21K
50°C	323.15K	61.38°C	334.53K
0°C	273.15K	11.31°C	284.46K

Gebruik het middelste punt van het temperatuurbereik om de offsettemperatuur te berekenen. In deze exampHet middelste punt is de ingestelde temperatuur van 50°C.
Offset temperatuur

• = Offsetfactor × ( Gemeten temperatuur − Streeftemperatuur )
• = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
• = 11.35

Pas indien nodig de offsettemperatuurwaarde en andere compensatiefactoren toe op de temperatuursensorchip en voer de meting opnieuw uit.

Tabel 2. Gegevens verzameld na toepassing van compensatiecompensatie

Temperatuur instellen	Gemeten temperatuur	Fout
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Gerelateerde informatie
Evaluatieresultaten
Biedt een opnieuwview van de evaluatieresultaten van de offsetcompensatiemethode met Maxim Integrated* en Texas Instruments* temperatuursensorchips.

Evaluatieresultaten

Bij de evaluatie werden de MAX31730 van Maxim Integrated* en de TMP468-evaluatiekits van Texas Instruments* aangepast om te kunnen communiceren met de externe temperatuurdiodes van verschillende blokken in de Intel FPGA.

Tabel 3. Geëvalueerde blokken en bordmodellen

Blok	Temperatuurgevoelige chipevaluatiebord
	De TMP468 van Texas Instruments	Maxim Integrate d's MAX31730
Intel Stratix 10-kernstof	Ja	Ja
H-tegel of L-tegel	Ja	Ja
E-tegel	Ja	Ja
P-tegel	Ja	Ja

De volgende afbeeldingen tonen de opstelling van het Intel FPGA-bord met de evaluatieborden Maxim Integrated en Texas Instruments.

Figuur 6. Installatie met Maxim Integrate d's MAX31730 Evaluatiebord

Figuur 7. Opstelling met het TMP468-evaluatiebord van Texas Instruments

• Een thermische forcer (of u kunt ook een temperatuurkamer gebruiken) bedekte en verzegelde de FPGA en forceerde de temperatuur volgens het ingestelde temperatuurpunt.
• Tijdens deze test bleef de FPGA in een stroomloze toestand om te voorkomen dat deze warmte zou genereren.
• De weektijd voor elk temperatuurtestpunt bedroeg 30 minuten.
• De instellingen op de evaluatiekits gebruikten de standaardinstellingen van de fabrikanten.
• Na de installatie werden de stappen in Offsetcompensatie op pagina 10 gevolgd voor het verzamelen en analyseren van gegevens.

Evaluatie met het MAX31730 temperatuurgevoelige chipevaluatiebord van Maxim Integrated

Deze evaluatie werd uitgevoerd met de instelstappen zoals beschreven in Offsetcompensatie.
De gegevens werden verzameld voor en na het toepassen van de offsetcompensatie. Er zijn verschillende offsettemperaturen toegepast op verschillende Intel FPGA-blokken, omdat een enkele offsetwaarde niet op alle blokken kan worden toegepast. De volgende figuren tonen de resultaten.

Figuur 8. Gegevens voor Intel Stratix 10 Core Fabric

Figuur 9. Gegevens voor Intel FPGA H-Tile en L-Tile

Figuur 10. Gegevens voor Intel FPGA E-Tile

Figuur 11. Gegevens voor Intel FPGA P-Tile

Evaluatie met het TMP468 temperatuurgevoelige chipevaluatiebord van Texas Instruments

Deze evaluatie werd uitgevoerd met de instelstappen zoals beschreven in Offsetcompensatie.
De gegevens werden verzameld voor en na het toepassen van de offsetcompensatie. Er zijn verschillende offsettemperaturen toegepast op verschillende Intel FPGA-blokken, omdat een enkele offsetwaarde niet op alle blokken kan worden toegepast. De volgende figuren tonen de resultaten.

Figuur 12. Gegevens voor Intel Stratix 10 Core Fabric

Figuur 13. Gegevens voor Intel FPGA H-Tile en L-Tile

Figuur 14. Gegevens voor Intel FPGA E-Tile

Figuur 15. Gegevens voor Intel FPGA P-Tile

Conclusie

Er zijn veel verschillende fabrikanten van temperatuurgevoelige chips. Bij het selecteren van componenten raadt Intel u ten zeerste aan de temperatuursensorchip te selecteren met de volgende overwegingen.

1. Selecteer een chip met configureerbare idealiteitsfactorfunctie.
2. Selecteer een chip met annulering van de serieweerstand.
3. Selecteer een chip die bètacompensatie ondersteunt.
4. Selecteer condensatoren die overeenkomen met de aanbevelingen van de chipfabrikant.
5. Pas een passende compensatie toe na het uitvoeren van een temperatuurprofile studie.

Op basis van de implementatieoverwegingen en evaluatieresultaten moet u de temperatuursensorchip in uw ontwerp optimaliseren om meetnauwkeurigheid te bereiken.

Documentrevisiegeschiedenis voor AN 769: Implementatiehandleiding voor Intel FPGA Remote Temperature Sensing Diode

Documentversie	Wijzigingen
2022.04.06	De temperatuurberekening van de temperatuurgevoelige chip gecorrigeerd in het onderwerp over mismatch van idealiteitsfactoren. Correctie van de offsettemperatuurberekening, bijvample in het onderwerp over offsetcompensatie.
2021.02.09	Eerste release.

Intel Corporation. Alle rechten voorbehouden. Intel, het Intel-logo en andere Intel-merken zijn handelsmerken van Intel Corporation of haar dochterondernemingen. Intel garandeert de prestaties van zijn FPGA- en halfgeleiderproducten volgens de huidige specificaties in overeenstemming met de standaardgarantie van Intel, maar behoudt zich het recht voor om op elk moment en zonder voorafgaande kennisgeving wijzigingen aan te brengen in producten en services. Intel aanvaardt geen verantwoordelijkheid of aansprakelijkheid die voortvloeit uit de toepassing of het gebruik van informatie, producten of diensten die hierin worden beschreven, behalve zoals uitdrukkelijk schriftelijk door Intel is overeengekomen. Intel-klanten wordt geadviseerd om de nieuwste versie van apparaatspecificaties te verkrijgen voordat ze vertrouwen op gepubliceerde informatie en voordat ze bestellingen voor producten of diensten plaatsen.
*Andere namen en merken kunnen eigendom van anderen zijn.

ISO
9001:2015
Geregistreerd

Documenten / Bronnen

Intel AN 769 FPGA temperatuurdetectiediode op afstand [pdf] Gebruikershandleiding AN 769 FPGA temperatuurdetectiediode op afstand, AN 769, FPGA temperatuurdetectiediode op afstand, temperatuurdetectiediode op afstand, temperatuurdetectiediode, detectiediode

Referenties

• Gebruiksaanwijzing