Intel AN 769 FPGA Zdalna dioda wykrywająca temperaturę
Wstęp
W nowoczesnych aplikacjach elektronicznych, zwłaszcza w aplikacjach wymagających krytycznej kontroli temperatury, pomiar temperatury na chipie ma kluczowe znaczenie.
Systemy o wysokiej wydajności opierają się na dokładnych pomiarach temperatury w środowiskach wewnętrznych i zewnętrznych.
- Zoptymalizuj wydajność
- Zapewnij niezawodne działanie
- Zapobiegaj uszkodzeniom komponentów
System monitorowania temperatury Intel® FPGA umożliwia używanie chipów innych firm do monitorowania temperatury złącza (TJ). Ten zewnętrzny system monitorowania temperatury działa nawet wtedy, gdy Intel FPGA jest wyłączony lub nie jest skonfigurowany. Jest jednak kilka rzeczy, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania interfejsu między zewnętrznym układem a diodami do zdalnego wykrywania temperatury (TSD) Intel FPGA.
Wybierając chip do pomiaru temperatury, zwykle patrzysz na dokładność temperatury, którą chcesz osiągnąć. Jednak w przypadku najnowszej technologii procesowej i innego projektu zdalnego TSD należy również wziąć pod uwagę wbudowane funkcje chipa czujnika temperatury, aby spełnić wymagania dotyczące dokładności projektu.
Dzięki zrozumieniu działania systemu zdalnego pomiaru temperatury Intel FPGA możesz:
- Poznaj typowe problemy z aplikacjami do wykrywania temperatury.
- Wybierz najodpowiedniejszy układ do wykrywania temperatury, który odpowiada Twoim potrzebom, kosztom i czasowi projektowania.
Firma Intel zdecydowanie zaleca mierzenie temperatury matrycy przy użyciu lokalnych TSD, które zostały zatwierdzone przez firmę Intel. Firma Intel nie może zweryfikować dokładności zewnętrznych czujników temperatury w różnych warunkach systemowych. Jeśli chcesz używać zdalnych TSD z zewnętrznymi czujnikami temperatury, postępuj zgodnie z wytycznymi zawartymi w tym dokumencie i sprawdź dokładność konfiguracji pomiaru temperatury.
Ta nota aplikacyjna dotyczy zdalnej implementacji TSD dla rodziny urządzeń Intel Stratix® 10 FPGA.
Koniec wdrożeniaview
Zewnętrzny układ czujnika temperatury łączy się ze zdalnym TSD Intel FPGA. Zdalny TSD to tranzystor połączony z diodą PNP lub NPN.
- Rysunek 1. Połączenie między chipem wykrywającym temperaturę a zdalnym TSD Intel FPGA (dioda NPN)
- Rysunek 2. Połączenie między chipem wykrywającym temperaturę a zdalnym TSD Intel FPGA (dioda PNP)
Poniższe równanie określa temperaturę tranzystora w stosunku do objętości baza-emitertage (VBE).
- Równanie 1. Zależność między temperaturą tranzystora a objtage (VBE)
Gdzie:
- T — temperatura w kelwinach
- q — ładunek elektronu (1.60 × 10-19 C)
- VBE — baza-emiter objtage
- k — stała Boltzmanna (1.38 × 10-23 J∙K-1)
- IC – prąd kolektora
- IS—odwrotny prąd nasycenia
- η — współczynnik idealności zdalnej diody
Przekształcając równanie 1, otrzymujesz następujące równanie.
- Równanie 2. VBE
Zazwyczaj chip wykrywający temperaturę wymusza dwa następujące po sobie dobrze kontrolowane prądy, I1 i I2, na pinach P i N. Następnie chip mierzy i uśrednia zmianę VBE diody. Delta w VBE jest wprost proporcjonalna do temperatury, jak pokazano na równaniu 3. - Równanie 3. Delta w VBE
Gdzie:
- n — wymuszony stosunek prądu
- VBE1 — baza-emiter objtage w I1
- VBE2 — baza-emiter objtage w I2
Rozpatrzenie wdrożenia
Wybór chipa do wykrywania temperatury z odpowiednimi funkcjami pozwala zoptymalizować chip w celu osiągnięcia dokładności pomiaru. Wybierając chip, rozważ tematy zawarte w powiązanych informacjach.
- Czynnik idealności (czynnik η) Niedopasowanie
- Błąd rezystancji szeregowej
- Zmienność beta diody temperaturowej
- Różnicowy kondensator wejściowy
- Kompensacja offsetu
Czynnik idealności (czynnik η) Niedopasowanie
W przypadku wykonywania pomiaru temperatury złącza za pomocą zewnętrznej diody temperatury, dokładność pomiaru temperatury zależy od charakterystyki zewnętrznej diody. Współczynnik idealności to parametr zdalnej diody, który mierzy odchylenie diody od jej idealnego zachowania.
Zazwyczaj współczynnik idealności można znaleźć w arkuszu danych producenta diody. Różne diody temperatury zewnętrznej dają różne wartości ze względu na różne konstrukcje i stosowane technologie procesowe.
Niedopasowanie idealności może spowodować znaczny błąd pomiaru temperatury. Aby uniknąć znacznego błędu, firma Intel zaleca wybranie układu mierzącego temperaturę, który ma konfigurowalny współczynnik idealności. Możesz zmienić wartość współczynnika idealności w chipie, aby wyeliminować błąd niedopasowania.
- Examp1. Udział współczynnika idealności w błędzie pomiaru temperatury
Ten byłyample pokazuje, jak współczynnik idealności wpływa na błąd pomiaru temperatury. w byłymample, obliczenie pokazuje niedopasowanie idealności powodujące znaczny błąd pomiaru temperatury.
- Równanie 4. Związek współczynnika idealności ze zmierzoną temperaturą
Gdzie:
- ηTSC — współczynnik idealności układu mierzącego temperaturę
- TTSC — temperatura odczytywana przez układ czujnika temperatury
- ηRTD—współczynnik idealności zdalnej diody temperaturowej
- TRTD—temperatura na zdalnej diodzie temperatury
Poniższe kroki oszacują pomiar temperatury (TTSC) przez układ wykrywający temperaturę, biorąc pod uwagę następujące wartości:
- Współczynnik idealności czujnika temperatury (ηTSC) wynosi 1.005
- Współczynnik idealności zdalnej diody temperaturowej (ηRTD) wynosi 1.03
- Rzeczywista temperatura na zdalnej diodzie temperatury (TRTD) wynosi 80°C
- Przelicz TRTD 80°C na kelwiny: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- Zastosuj równanie 4. Temperatura obliczona przez układ mierzący temperaturę wynosi 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
- Przelicz obliczoną wartość na stopnie Celsjusza: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Błąd temperatury (TE) spowodowany niedopasowaniem idealności:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C
Błąd rezystancji szeregowej
Rezystancja szeregowa na pinach P i N przyczynia się do błędu pomiaru temperatury.
Rezystancja szeregowa może wynosić od:
- Rezystancja wewnętrzna pinów P i N diody temperatury.
- Rezystancja śladowa płytki npample, długi ślad na desce.
Rezystancja szeregowa powoduje dodatkową objtage spada na ścieżce wykrywania temperatury i powoduje błąd pomiaru, wpływając na dokładność pomiaru temperatury. Zazwyczaj taka sytuacja ma miejsce, gdy wykonujesz pomiar temperatury za pomocą 2-prądowego układu mierzącego temperaturę.
Rysunek 3. Rezystancja szeregowa wewnętrzna i pokładowa
Aby wyjaśnić błąd temperaturowy powstający, gdy rezystancja szeregowa wzrasta, niektórzy producenci układów scalonych z czujnikami temperatury dostarczają dane dotyczące błędu temperatury zdalnej diody w funkcji rezystancji.
Można jednak wyeliminować błąd rezystancji szeregowej. Niektóre chipy do wykrywania temperatury mają wbudowaną funkcję anulowania rezystancji szeregowej. Funkcja eliminacji rezystancji szeregowej może wyeliminować rezystancję szeregową z zakresu od kilkuset Ω do zakresu przekraczającego kilka tysięcy Ω.
Firma Intel zaleca rozważenie funkcji anulowania rezystancji szeregowej przy wyborze układu mierzącego temperaturę. Ta funkcja automatycznie eliminuje błąd temperatury spowodowany rezystancją trasowania do zdalnego tranzystora.
Zmienność beta diody temperaturowej
Wraz ze zmniejszaniem się geometrii technologii procesowej zmniejsza się wartość Beta(β) substratu PNP lub NPN.
Ponieważ wartość Beta diody temperaturowej maleje, zwłaszcza jeśli kolektor diody temperaturowej jest podłączony do masy, wartość Beta wpływa na stosunek prądu w równaniu 3 na stronie 5. Dlatego utrzymanie dokładnego stosunku prądu jest kluczowe.
Niektóre chipy do wykrywania temperatury mają wbudowaną funkcję kompensacji Beta. Odmiana Beta obwodu wykrywa prąd bazowy i dostosowuje prąd emitera, aby skompensować zmiany. Kompensacja Beta utrzymuje stosunek prądu kolektora.
Rysunek 4. 10-rdzeniowa dioda temperatury tkaniny Intel Stratix z włączoną kompensacją beta MAX31730 Maxim Integrated*
Ten rysunek pokazuje, że dokładność pomiaru jest osiągana przy włączonej kompensacji Beta. Pomiary zostały wykonane w stanie wyłączenia FPGA – oczekuje się, że ustawione i zmierzone temperatury będą zbliżone.
| 0˚C | 50˚C | 100˚C | |
| Kompensacja beta wyłączona | 25.0625˚C | 70.1875˚C | 116.5625˚C |
| Kompensacja beta włączona | -0.6875˚C | 49.4375˚C | 101.875˚C |
Różnicowy kondensator wejściowy
Kondensator (CF) na pinach P i N działa jak filtr dolnoprzepustowy, który pomaga filtrować szumy o wysokiej częstotliwości i poprawiać zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).
Trzeba uważać przy doborze kondensatora, ponieważ duża pojemność może wpłynąć na czas narastania przełączanego źródła prądowego i wprowadzić ogromny błąd pomiaru. Zazwyczaj producent chipa do pomiaru temperatury podaje zalecaną wartość pojemności w swoim arkuszu danych. Przed podjęciem decyzji o wartości pojemności zapoznaj się z wytycznymi lub zaleceniami projektowymi producenta kondensatora.
Rysunek 5. Różnicowa pojemność wejściowa
Kompensacja offsetu
Wiele czynników może jednocześnie przyczynić się do błędu pomiaru. Czasami zastosowanie jednej metody kompensacji może nie rozwiązać w pełni problemu. Inną metodą rozwiązania błędu pomiaru jest zastosowanie kompensacji przesunięcia.
Notatka: Firma Intel zaleca korzystanie z układu wykrywającego temperaturę z wbudowaną kompensacją przesunięcia. Jeśli układ czujnika temperatury nie obsługuje tej funkcji, możesz zastosować kompensację przesunięcia podczas przetwarzania końcowego za pomocą niestandardowej logiki lub oprogramowania.
Kompensacja przesunięcia zmienia wartość rejestru przesunięcia z układu czujnika temperatury, aby wyeliminować obliczony błąd. Aby skorzystać z tej funkcji, należy wykonać test temperaturyfile przestudiować i określić wartość offsetu, którą należy zastosować.
Należy zbierać pomiary temperatury w żądanym zakresie temperatur przy domyślnych ustawieniach chipa czujnika temperatury. Następnie przeprowadź analizę danych, jak w poniższym przykładzieample, aby określić wartość przesunięcia do zastosowania. Firma Intel zaleca przetestowanie kilku układów scalonych wykrywających temperaturę za pomocą kilku zdalnych diod temperaturowych, aby upewnić się, że uwzględniono różnice między poszczególnymi częściami. Następnie użyj średniej pomiarów w analizie, aby określić ustawienia do zastosowania.
Możesz wybrać punkty temperaturowe do przetestowania na podstawie warunków pracy systemu.
Równanie 5. Współczynnik przesunięcia
Examp2. Zastosowanie kompensacji offsetowej W tym example zebrano zestaw pomiarów temperatury z trzema punktami temperaturowymi. Zastosuj równanie 5 do wartości i oblicz współczynnik przesunięcia.
Tabela 1. Dane zebrane przed zastosowaniem kompensacji offsetu
| Ustaw temperaturę | Zmierzona temperatura | ||
| 100°C | 373.15 tys. | 111.06°C | 384.21 tys. |
| 50°C | 323.15 tys. | 61.38°C | 334.53 tys. |
| 0°C | 273.15 tys. | 11.31°C | 284.46 tys. |
Użyj środkowego punktu zakresu temperatur, aby obliczyć temperaturę przesunięcia. W tym eksample, środkowy punkt to temperatura zadana 50°C.
Temperatura przesunięcia
- = Współczynnik przesunięcia × ( Temperatura zmierzona − Temperatura zadana )
- = 0.9975 × (334.53 - 323.15)
- = 11.35
Zastosuj wartość przesunięcia temperatury i inne współczynniki kompensacji, jeśli to konieczne, do chipa czujnika temperatury i ponownie wykonaj pomiar.
Tabela 2. Dane zebrane po zastosowaniu kompensacji offsetu
| Ustaw temperaturę | Zmierzona temperatura | Błąd |
| 100°C | 101.06°C | 1.06°C |
| 50°C | 50.13°C | 0.13°C |
| 0°C | 0.25°C | 0.25°C |
Informacje powiązane
Wyniki oceny
Zapewnia review wyników oceny metody kompensacji offsetu z czipami do pomiaru temperatury Maxim Integrated* i Texas Instruments*.
Wyniki oceny
Podczas oceny zestawy ewaluacyjne MAX31730 firmy Maxim Integrated* i TMP468 firmy Texas Instruments* zostały zmodyfikowane w celu współpracy ze zdalnymi diodami temperaturowymi kilku bloków w układzie FPGA firmy Intel.
Tabela 3. Ocenione modele bloków i plansz
| Blok | Płytka ewaluacyjna chipa czujnika temperatury | |
| TMP468 firmy Texas Instruments | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| 10-rdzeniowa tkanina Intel Stratix | Tak | Tak |
| Dachówka H lub L | Tak | Tak |
| E-płytka | Tak | Tak |
| P-płytka | Tak | Tak |
Poniższe rysunki przedstawiają konfigurację płyty Intel FPGA z płytkami ewaluacyjnymi Maxim Integrated i Texas Instruments.
Rysunek 6. Konfiguracja z płytą ewaluacyjną MAX31730 firmy Maxim Integrate d
Rysunek 7. Konfiguracja za pomocą płytki ewaluacyjnej TMP468 firmy Texas Instruments
- Siła termiczna — lub alternatywnie można użyć komory temperaturowej — przykryła i uszczelniła FPGA i wymusiła temperaturę zgodnie z ustawionym punktem temperatury.
- Podczas tego testu FPGA pozostawał w stanie bez zasilania, aby uniknąć generowania ciepła.
- Czas wygrzewania dla każdego punktu testowego temperatury wynosił 30 minut.
- W ustawieniach zestawów ewaluacyjnych wykorzystano domyślne ustawienia producentów.
- Po konfiguracji wykonano czynności opisane w sekcji Kompensacja przesunięcia na stronie 10 w celu zebrania i analizy danych.
Ocena za pomocą płytki ewaluacyjnej chipa MAX31730 firmy Maxim Integrated
Ta ocena została przeprowadzona z krokami konfiguracji opisanymi w kompensacji przesunięcia.
Dane zostały zebrane przed i po zastosowaniu kompensacji offsetowej. Do różnych bloków Intel FPGA zastosowano różne temperatury przesunięcia, ponieważ nie można zastosować jednej wartości przesunięcia do wszystkich bloków. Wyniki przedstawiają poniższe liczby.
Rysunek 8. Dane dla Intel Stratix 10 Core Fabric
Rysunek 9. Dane dla Intel FPGA H-Tile i L-Tile
Rysunek 10. Dane dla Intel FPGA E-Tile
Rysunek 11. Dane dla Intel FPGA P-Tile
Ocena za pomocą płytki ewaluacyjnej układu scalonego TMP468 firmy Texas Instruments
Ta ocena została przeprowadzona z krokami konfiguracji opisanymi w kompensacji przesunięcia.
Dane zostały zebrane przed i po zastosowaniu kompensacji offsetowej. Do różnych bloków Intel FPGA zastosowano różne temperatury przesunięcia, ponieważ nie można zastosować jednej wartości przesunięcia do wszystkich bloków. Wyniki przedstawiają poniższe liczby.
Rysunek 12. Dane dla Intel Stratix 10 Core Fabric
Rysunek 13. Dane dla Intel FPGA H-Tile i L-Tile
Rysunek 14. Dane dla Intel FPGA E-Tile
Rysunek 15. Dane dla Intel FPGA P-Tile
Wniosek
Istnieje wielu różnych producentów układów scalonych do wykrywania temperatury. Podczas wyboru komponentów firma Intel zdecydowanie zaleca, aby przy wyborze chipa do wykrywania temperatury wziąć pod uwagę następujące kwestie.
- Wybierz układ z konfigurowalną funkcją współczynnika idealności.
- Wybierz chip, który ma eliminację rezystancji szeregowej.
- Wybierz układ obsługujący kompensację Beta.
- Wybierz kondensatory zgodne z zaleceniami producenta chipa.
- Zastosuj odpowiednią kompensację po wykonaniu pomiaru temperaturyfile badanie.
Na podstawie rozważań dotyczących implementacji i wyników oceny należy zoptymalizować układ czujnika temperatury w swoim projekcie, aby osiągnąć dokładność pomiaru.
Historia wersji dokumentu dla AN 769: Przewodnik po implementacji diody zdalnego wykrywania temperatury Intel FPGA
| Wersja dokumentu | Zmiany |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Pierwsze wydanie. |
Korporacja intelektualna. Wszelkie prawa zastrzeżone. Intel, logo Intel i inne znaki Intel są znakami towarowymi firmy Intel Corporation lub jej podmiotów zależnych. Firma Intel gwarantuje wydajność swoich produktów FPGA i produktów półprzewodnikowych zgodnie z aktualnymi specyfikacjami zgodnie ze standardową gwarancją firmy Intel, ale zastrzega sobie prawo do wprowadzania zmian we wszelkich produktach i usługach w dowolnym momencie i bez powiadomienia. Firma Intel nie przyjmuje żadnej odpowiedzialności wynikającej z zastosowania lub wykorzystania jakichkolwiek informacji, produktów lub usług opisanych w niniejszym dokumencie, z wyjątkiem przypadków wyraźnie uzgodnionych na piśmie przez firmę Intel. Klientom firmy Intel zaleca się uzyskanie najnowszej wersji specyfikacji urządzenia przed poleganiem na opublikowanych informacjach oraz przed złożeniem zamówienia na produkty lub usługi.
*Inne nazwy oraz marki mogą być własnością osób trzecich.
IZO
9001:2015
Zarejestrowany
Dokumenty / Zasoby
 |
Intel AN 769 FPGA Zdalna dioda wykrywająca temperaturę [plik PDF] Instrukcja użytkownika AN 769 FPGA Zdalna dioda wykrywająca temperaturę, AN 769, FPGA Zdalna dioda wykrywająca temperaturę, Zdalna dioda wykrywająca temperaturę, Dioda wykrywająca temperaturę, Dioda wykrywająca |
