intel AN 769 FPGA Remote Temperature Sensing Diode User Guide

Intel® FPGA temperaturovervåkingssystem lar deg bruke tredjepartsbrikker for å overvåke overgangstemperaturen (TJ). Dette eksterne temperaturovervåkingssystemet fungerer selv når Intel FPGA er slått av eller ikke er konfigurert. Det er imidlertid flere ting du må vurdere når du designer grensesnittet mellom den eksterne brikken og Intel FPGA fjerntemperaturfølende dioder (TSD).
Når du velger en temperatursensorbrikke, vil du vanligvis se på temperaturnøyaktigheten du ønsker å oppnå. Men med den nyeste prosessteknologien og en annen fjernstyrt TSD-design, må du også vurdere temperaturfølerbrikkens innebygde funksjoner for å oppfylle kravene til designnøyaktighet.

Ved å forstå hvordan Intel FPGA fjerntemperaturmålingssystemet fungerer, kan du:

Oppdag vanlige problemer med temperaturregistreringsapplikasjoner.
Velg den mest passende temperaturfølerbrikken som oppfyller dine applikasjonsbehov, kostnader og designtid.

Intel anbefaler på det sterkeste at du måler temperaturen på matrisen ved å bruke lokale TSD-er, som Intel har validert. Intel kan ikke validere nøyaktigheten til eksterne temperatursensorer under ulike systemforhold. Hvis du vil bruke de eksterne TSD-ene med eksterne temperatursensorer, følg retningslinjene i dette dokumentet og valider nøyaktigheten til oppsettet for temperaturmåling.

Dette applikasjonsnotatet gjelder ekstern TSD-implementering for Intel Stratix® 10 FPGA-enhetsfamilien.

Implementering overview

Den eksterne temperaturfølerbrikken kobles til Intel FPGA fjernkontroll TSD. Den eksterne TSD-en er en PNP- eller NPN-diodetilkoblet transistor.

Figur 1. Tilkobling mellom temperatursensorbrikke og Intel FPGA Remote TSD (NPN Diode)

Figur 2. Tilkobling mellom temperatursensorbrikke og Intel FPGA Remote TSD (PNP Diode)

Følgende ligning danner temperaturen til en transistor i forhold til base-emitter voltage (VBE).

Ligning 1. Forholdet mellom temperatur på transistor og base-emitter Voltage (VBE)Hvor:
- T—Temperatur i Kelvin
- q – elektronladningen (1.60 × 10−19 C)
- VBE—base-emitter voltage
- k—Boltzmann konstant (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC – kollektorstrømmen
- IS – den omvendte metningsstrømmen
- η – idealitetsfaktoren til den eksterne dioden
  Hvis du omorganiserer ligning 1, får du følgende ligning.

Ligning 2. VBE
Typisk tvinger temperaturfølerbrikken to påfølgende godt kontrollerte strømmer, I1 og I2 på P- og N-pinnene. Deretter måler og gjennomsnittligner brikken endringen av VBE til dioden. Deltaet i VBE er direkte proporsjonalt med temperaturen, som vist i ligning 3.
Ligning 3. Delta i VBEHvor:
- n—tvungen strømforhold
- VBE1—base-emitter voltage ved I1
- VBE2—base-emitter voltage ved I2

Implementeringshensyn

Ved å velge temperatursensorbrikken med de riktige funksjonene kan du optimere brikken for å oppnå målenøyaktighet. Vurder emnene i den relaterte informasjonen når du velger brikken.

Relatert informasjon

Idealitetsfaktor (η-faktor) Mismatch
Seriemotstandsfeil
Temperatur Diode Beta Variasjon
Differensiell inngangskondensator
Offset kompensasjon

Idealitetsfaktor (η-faktor) Mismatch

Når du utfører måling av overgangstemperatur ved å bruke en ekstern temperaturdiode, avhenger nøyaktigheten av temperaturmålingen av egenskapene til den eksterne dioden. Idealitetsfaktoren er en parameter for en ekstern diode som måler diodens avvik fra dens ideelle oppførsel.
Du finner vanligvis idealitetsfaktoren i databladet fra diodeprodusenten. Ulike eksterne temperaturdioder gir deg forskjellige verdier på grunn av de forskjellige design- og prosessteknologiene de bruker.
Idealitetsfeil kan forårsake en betydelig temperaturmålingsfeil. For å unngå den betydelige feilen, anbefaler Intel at du velger en temperatursensorbrikke som har en konfigurerbar idealitetsfaktor. Du kan endre idealitetsfaktorverdien i brikken for å eliminere mismatchfeilen.

Example 1. Idealitetsfaktor Bidrag til temperaturmålingsfeil

Denne eksample viser hvordan idealitetsfaktor bidrar til temperaturmålefeilen. I eksample, viser beregningen idealitetsmisforholdet som forårsaker en betydelig temperaturmålefeil.

Ligning 4. Idealitetsfaktor forhold til målt temperatur

Hvor:

ηTSC—idealitetsfaktor for temperaturfølerbrikken
TTSC – temperatur avlest av temperaturfølerbrikken
ηRTD—idealitetsfaktor for fjerntemperaturdioden
TRTD – temperatur ved fjerntemperaturdioden

Følgende trinn estimerer temperaturmåling (TTSC) av temperaturfølerbrikken, gitt følgende verdier:

Idealitetsfaktoren til temperatursensoren (ηTSC) er 1.005
Idealitetsfaktoren til fjerntemperaturdioden (ηRTD) er 1.03
Faktisk temperatur ved fjerntemperaturdioden (TRTD) er 80°C

Konverter TRTD på 80 °C til Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
Bruk ligning 4. Den beregnede temperaturen av temperaturfølerbrikken er 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03

Konverter den beregnede verdien til Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 °C Temperaturfeilen (TE) forårsaket av idealitetsmisforholdet:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Seriemotstandsfeil

Seriemotstanden på P- og N-pinnene bidrar til temperaturmålingsfeil.

Seriemotstanden kan være fra:

Den indre motstanden til P- og N-pinnen til temperaturdioden.
Brettets spormotstand, f.eksample, et langt bordspor.

Seriemotstanden forårsaker ytterligere voltage faller ved temperaturfølerbanen og resulterer i målefeil, noe som påvirker nøyaktigheten til temperaturmålingen. Vanligvis skjer denne situasjonen når du utfører temperaturmåling med en 2-strøms temperatursensorbrikke.

Figur 3. Intern og ombord seriemotstandFor å forklare temperaturfeilen som oppstår når seriemotstanden øker, gir noen produsenter av temperaturfølende brikke data for den eksterne diodetemperaturfeilen kontra motstanden.
Du kan imidlertid eliminere seriemotstandsfeilen. Noen temperaturfølende brikker har innebygd funksjon for kansellering av seriemotstand. Funksjonen for kansellering av seriemotstand kan eliminere seriemotstanden fra et område på noen få hundre Ω til et område som overstiger noen få tusen Ω.
Intel anbefaler at du vurderer funksjonen for kansellering av seriemotstand når du velger temperaturfølerbrikken. Funksjonen eliminerer automatisk temperaturfeilen forårsaket av motstanden i ruten til den eksterne transistoren.

Temperatur Diode Beta Variasjon

Etter hvert som prosessteknologiske geometrier blir mindre, synker Beta(β)-verdien til PNP- eller NPN-substratet.
Ettersom temperaturdiode Beta-verdien blir lavere, spesielt hvis temperaturdiodekollektoren er bundet til bakken, påvirker Beta-verdien strømforholdet på ligning 3 på side 5. Derfor er det avgjørende å opprettholde et nøyaktig strømforhold.
Noen temperaturfølende brikker har innebygd Beta-kompensasjonsfunksjon. Beta-variasjonen til kretsen registrerer basisstrømmen og justerer emitterstrømmen for å kompensere for variasjonen. Beta-kompensasjonen opprettholder kollektorstrømforholdet.

Figur 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode med Maxim Integrert*s MAX31730 Beta Compensation aktivert
Denne figuren viser at målenøyaktigheten oppnås med Beta-kompensasjon aktivert. Målingene ble tatt under FPGA-avstengingstilstand – de innstilte og målte temperaturene forventes å være nærme.

	0˚C	50˚C	100˚C
Betakompensasjon av	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Betakompensasjon på	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Differensiell inngangskondensator

Kondensatoren (CF) på P og N pinner fungerer som et lavpassfilter som hjelper til med å filtrere høyfrekvent støy og forbedre den elektromagnetiske interferensen (EMI).
Du må være forsiktig under kondensatorvalg fordi den store kapasitansen kan påvirke stigetiden til den svitsjede strømkilden og introdusere en enorm målefeil. Vanligvis gir produsenten av temperaturfølende brikke den anbefalte kapasitansverdien i dataarket. Se kondensatorprodusentens designretningslinjer eller anbefaling før du bestemmer kapasitansverdien.

Figur 5. Differensiell inngangskapasitans

Offset kompensasjon

Flere faktorer kan samtidig bidra til målefeilen. Noen ganger kan det hende at det å bruke en enkelt kompensasjonsmetode ikke løser problemet fullt ut. En annen metode for å løse målefeilen er å bruke forskyvningskompensasjon.

Note: Intel anbefaler at du bruker en temperatursensorbrikke med innebygd offsetkompensasjon. Hvis temperaturfølerbrikken ikke støtter funksjonen, kan du bruke offsetkompensasjon under etterbehandling gjennom tilpasset logikk eller programvare.
Offsetkompensasjon endrer offsetregisterverdien fra temperaturfølerbrikken for å eliminere den beregnede feilen. For å bruke denne funksjonen må du utføre en temperaturprofffile studere og identifisere offsetverdien som skal brukes.

Du må samle inn temperaturmålinger over ønsket temperaturområde med standardinnstillingene til temperaturfølerbrikken. Utfør deretter dataanalyse som i følgende eksample for å bestemme offsetverdien som skal brukes. Intel anbefaler at du tester flere temperaturfølende brikker med flere eksterne temperaturdioder for å sikre at du dekker del-til-del-variasjonene. Deretter bruker du målingsgjennomsnittet i analysen for å bestemme innstillingene som skal brukes.
Du kan velge temperaturpunktene som skal testes basert på systemets driftstilstand.

Ligning 5. Offsetfaktor

Example 2. Anvendelse av Offset CompensationI denne eksample, et sett med temperaturmålinger ble samlet inn med tre temperaturpunkter. Bruk ligning 5 på verdiene og beregn offsetfaktoren.

Tabell 1. Data samlet inn før utligning av kompensasjon

Still inn temperatur		Målt temperatur
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

Bruk midtpunktet i temperaturområdet for å beregne forskyvningstemperaturen. I denne eksample, midtpunktet er innstilt temperatur på 50°C.
Offset temperatur

= Offsetfaktor × (Målt temperatur−Setttemperatur)
= 0.9975 × (334.53 − 323.15)
= 11.35

Bruk forskyvningstemperaturverdien og andre kompensasjonsfaktorer, om nødvendig, inn i temperaturfølerbrikken og foreta målingen på nytt.

Tabell 2. Data samlet inn etter bruk av offsetkompensasjon

Still inn temperatur	Målt temperatur	Feil
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Relatert informasjon
Evalueringsresultater
Gir en review av evalueringsresultatene for offsetkompensasjonsmetoden med Maxim Integrated* og Texas Instruments* temperaturfølende brikker.

Evalueringsresultater

I evalueringen ble Maxim Integrated*s MAX31730 og Texas Instruments*s TMP468-evalueringssett modifisert for å kommunisere med fjerntemperaturdiodene til flere blokker i Intel FPGA.

Tabell 3. Evaluerte blokker og tavlemodeller

Blokkere	Evalueringstavle for temperaturfølende brikke
Blokkere	Texas Instruments' TMP468	Maxim Integrate ds MAX31730
Intel Stratix 10 kjernestoff	Ja	Ja
H-flis eller L-flis	Ja	Ja
E-flis	Ja	Ja
P-flis	Ja	Ja

Følgende figurer viser oppsettet av Intel FPGA-kortet med Maxim Integrated og Texas Instruments evalueringskort.

Figur 6. Oppsett med Maxim Integrate ds MAX31730 Evaluation Board

Figur 7. Oppsett med Texas Instruments' TMP468 Evaluation Board

En termisk forsterker - eller alternativt kan du bruke et temperaturkammer - dekket og forseglet FPGAen og tvunget temperaturen i henhold til innstilt temperaturpunkt.
Under denne testen forble FPGA-en i udrevet tilstand for å unngå at den genererer varme.
Bløtleggingstiden for hvert temperaturtestpunkt var 30 minutter.
Innstillingene på evalueringssettene brukte standardinnstillingene fra produsentene.
Etter oppsettet ble trinnene i Offset Compensation på side 10 fulgt for datainnsamling og analyse.

Evaluering med Maxim Integrateds MAX31730 temperaturfølende brikkeevalueringskort

Denne evalueringen ble utført med oppsettstrinn som beskrevet i Offset Compensation.
Dataene ble samlet inn før og etter bruk av forskyvningskompensasjonen. Ulik forskyvningstemperatur ble brukt på forskjellige Intel FPGA-blokker fordi en enkelt forskyvningsverdi ikke kan brukes på alle blokker. Følgende figurer viser resultatene.

Figur 8. Data for Intel Stratix 10 Core Fabric

Figur 9. Data for Intel FPGA H-Tile og L-Tile

Figur 10. Data for Intel FPGA E-Tile

Figur 11. Data for Intel FPGA P-Tile

Evaluering med Texas Instruments' TMP468 temperaturfølende brikkeevalueringstavle

Figur 12. Data for Intel Stratix 10 Core Fabric

Figur 13. Data for Intel FPGA H-Tile og L-Tile

Figur 14. Data for Intel FPGA E-Tile

Figur 15. Data for Intel FPGA P-Tile

Konklusjon

Det finnes mange forskjellige produsenter av temperaturfølende brikker. Under komponentvalg anbefaler Intel på det sterkeste at du velger temperatursensorbrikken med følgende hensyn.

Velg en brikke med konfigurerbar idealitetsfaktorfunksjon.
Velg en brikke som har seriemotstandskansellering.
Velg en brikke som støtter Beta-kompensasjon.
Velg kondensatorer som samsvarer med brikkeprodusentens anbefalinger.
Påfør eventuell passende kompensasjon etter å ha utført en temperaturprofile studere.

Basert på implementeringsbetraktningen og evalueringsresultatene, må du optimalisere temperatursensorbrikken i designet for å oppnå målenøyaktighet.

Dokumentrevisjonshistorikk for AN 769: Implementeringsveiledning for Intel FPGA-fjerntemperaturfølende diode

Dokumentversjon	Endringer
2022.04.06	Korrigerte temperaturmålingsbrikkens temperaturberegning i emnet om idealitetsfaktormismatch. Korrigerte offsettemperaturberegningen eksample i emnet om motkompensasjon.
2021.02.09	Første utgivelse.

Intel Corporation. Alle rettigheter forbeholdt. Intel, Intel-logoen og andre Intel-merker er varemerker for Intel Corporation eller dets datterselskaper. Intel garanterer ytelsen til sine FPGA- og halvlederprodukter i henhold til gjeldende spesifikasjoner i henhold til Intels standardgaranti, men forbeholder seg retten til å gjøre endringer i produkter og tjenester når som helst uten varsel. Intel påtar seg intet ansvar eller ansvar som oppstår som følge av applikasjonen eller bruken av informasjon, produkter eller tjenester som er beskrevet her, med mindre det er uttrykkelig skriftlig avtalt med Intel. Intel-kunder anbefales å få tak i den nyeste versjonen av enhetsspesifikasjonene før de stoler på publisert informasjon og før de bestiller produkter eller tjenester.
*Andre navn og merker kan gjøres krav på som andres eiendom.

ISO
9001:2015
Registrert

Dokumenter / Ressurser

intel AN 769 FPGA fjernkontroll temperaturfølende diode [pdfBrukerhåndbok
AN 769 FPGA ekstern temperaturfølende diode, AN 769, FPGA fjerntemperaturfølende diode, fjerntemperaturfølende diode, temperaturfølende diode, følerdiode

Referanser

Brukerhåndbok

intel AN 769 FPGA fjernkontroll temperaturfølende diode

Introduksjon