Diodo de detecção remota de temperatura intel AN 769 FPGA
Introdução
Em aplicações eletrônicas modernas, especialmente aplicações que requerem controle crítico de temperatura, a medição de temperatura no chip é crucial.
Os sistemas de alto desempenho dependem de medições precisas de temperatura para ambientes internos e externos.
- Otimizar o desempenho
- Garanta uma operação confiável
- Evite danos aos componentes
O sistema de monitoramento de temperatura Intel® FPGA permite que você use chips de terceiros para monitorar a temperatura de junção (TJ). Este sistema externo de monitoramento de temperatura funciona mesmo quando o Intel FPGA está desligado ou não configurado. No entanto, há várias coisas que você deve considerar ao projetar a interface entre o chip externo e os diodos de detecção remota de temperatura (TSDs) do Intel FPGA.
Quando você seleciona um chip de detecção de temperatura, normalmente observa a precisão de temperatura que deseja alcançar. No entanto, com a mais recente tecnologia de processo e um projeto TSD remoto diferente, você também deve considerar os recursos integrados do chip sensor de temperatura para atender aos requisitos de precisão do projeto.
Compreendendo o funcionamento do sistema de medição remota de temperatura Intel FPGA, você pode:
- Descubra problemas comuns com aplicações de detecção de temperatura.
- Selecione o chip de detecção de temperatura mais apropriado que atenda às suas necessidades de aplicação, custo e tempo de projeto.
A Intel recomenda enfaticamente que você meça a temperatura interna usando TSDs locais, validados pela Intel. A Intel não pode validar a precisão dos sensores de temperatura externos em várias condições do sistema. Se você quiser usar os TSDs remotos com sensores externos de temperatura, siga as orientações neste documento e valide a precisão de sua configuração de medição de temperatura.
Esta nota de aplicação se aplica à implementação remota de TSD para a família de dispositivos Intel Stratix® 10 FPGA.
Implementação encerradaview
O chip de detecção de temperatura externa se conecta ao TSD remoto Intel FPGA. O TSD remoto é um transistor conectado por diodo PNP ou NPN.
- Figura 1. Conexão entre o chip de detecção de temperatura e o Intel FPGA Remote TSD (díodo NPN)
- Figura 2. Conexão entre o chip de detecção de temperatura e o Intel FPGA Remote TSD (diodo PNP)
A equação a seguir forma a temperatura de um transistor em relação ao vol base-emissortage (VBE).
- Equação 1. Relação Entre a Temperatura do Transistor e Vol Base-Emissortage (VBE)
Onde:
- T—Temperatura em Kelvin
- q—a carga do elétron (1.60 × 10−19 C)
- VBE—base-emissor voltage
- k—Constante de Boltzmann (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC - a corrente do coletor
- IS - a corrente de saturação reversa
- η - o fator de idealidade do diodo remoto
Reorganizando a Equação 1, você obtém a seguinte equação.
- Equação 2. VBE
Normalmente, o chip sensor de temperatura força duas correntes bem controladas consecutivas, I1 e I2 nos pinos P e N. O chip então mede e calcula a média da mudança do VBE do diodo. O delta em VBE é diretamente proporcional à temperatura, conforme mostrado na Equação 3. - Equação 3. Delta em VBE
Onde:
- n—relação de corrente forçada
- VBE1—vol base-emissortage em I1
- VBE2—vol base-emissortage em I2
Consideração de Implementação
Selecionar o chip de detecção de temperatura com os recursos apropriados permite otimizar o chip para obter precisão de medição. Considere os tópicos nas informações relacionadas ao selecionar o chip.
- Incompatibilidade do fator de idealidade (fator η)
- Erro de Resistência em Série
- Variação beta do diodo de temperatura
- Capacitor de entrada diferencial
- compensação compensatória
Incompatibilidade do fator de idealidade (fator η)
Quando você executa a medição da temperatura da junção usando um diodo externo de temperatura, a precisão da medição da temperatura depende das características do diodo externo. O fator de idealidade é um parâmetro de um diodo remoto que mede o desvio do diodo de seu comportamento ideal.
Normalmente, você pode encontrar o fator de idealidade na folha de dados do fabricante do diodo. Diferentes diodos de temperatura externa fornecem valores diferentes devido às diferentes tecnologias de design e processo que usam.
A incompatibilidade de idealidade pode causar um erro significativo de medição de temperatura. Para evitar o erro significativo, a Intel recomenda que você selecione um chip sensor de temperatura que apresente um fator de idealidade configurável. Você pode alterar o valor do fator de idealidade no chip para eliminar o erro de incompatibilidade.
- Exampo 1. Contribuição do fator de idealidade para o erro de medição de temperatura
Este exampo le mostra como o fator de idealidade contribui para o erro de medição de temperatura. no example, o cálculo mostra a incompatibilidade de idealidade causando um erro significativo de medição de temperatura.
- Equação 4. Relação do fator de idealidade com a temperatura medida
Onde:
- ηTSC—fator de idealidade do chip sensor de temperatura
- TTSC—temperatura lida pelo chip sensor de temperatura
- ηRTD—fator de idealidade do diodo remoto de temperatura
- TRTD—temperatura no diodo remoto de temperatura
As etapas a seguir estimam a medição de temperatura (TTSC) pelo chip sensor de temperatura, dados os seguintes valores:
- O fator de idealidade do sensor de temperatura (ηTSC) é 1.005
- O fator de idealidade do diodo remoto de temperatura (ηRTD) é 1.03
- A temperatura real no diodo remoto de temperatura (TRTD) é de 80°C
- Converta o TRTD de 80°C para Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- Aplique a Equação 4. A temperatura calculada pelo chip sensor de temperatura é 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
- Converta o valor calculado para Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C O erro de temperatura (TE) causado pela incompatibilidade de idealidade:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C
Erro de Resistência em Série
A resistência em série nos pinos P e N contribui para o erro de medição de temperatura.
A resistência em série pode ser de:
- A resistência interna dos pinos P e N do diodo de temperatura.
- A resistência do traço da placa, por exemploample, um traço de prancha longa.
A resistência em série causa vol adicionaltage cair no caminho de detecção de temperatura e resultar em erro de medição, afetando a precisão da medição de temperatura. Normalmente, essa situação ocorre quando você realiza a medição de temperatura com um chip sensor de temperatura de 2 correntes.
Figura 3. Resistência de série interna e integrada
Para explicar o erro de temperatura incorrido quando a resistência em série aumenta, alguns fabricantes de chips sensores de temperatura fornecem os dados para o erro de temperatura do diodo remoto versus a resistência.
No entanto, você pode eliminar o erro de resistência em série. Alguns chips de detecção de temperatura possuem recurso de cancelamento de resistência em série integrado. O recurso de cancelamento de resistência em série pode eliminar a resistência em série de uma faixa de algumas centenas de Ω a uma faixa superior a alguns milhares de Ω.
A Intel recomenda que você considere o recurso de cancelamento de resistência em série ao selecionar o chip sensor de temperatura. O recurso elimina automaticamente o erro de temperatura causado pela resistência do roteamento para o transistor remoto.
Variação beta do diodo de temperatura
À medida que as geometrias da tecnologia de processo ficam menores, o valor Beta(β) do substrato PNP ou NPN diminui.
À medida que o valor Beta do diodo de temperatura diminui, especialmente se o coletor de diodo de temperatura estiver ligado ao terra, o valor Beta afeta a relação de corrente na Equação 3 na página 5. Portanto, manter uma relação de corrente precisa é crucial.
Alguns chips de detecção de temperatura possuem um recurso de compensação Beta integrado. A variação Beta do circuito detecta a corrente de base e ajusta a corrente do emissor para compensar a variação. A compensação Beta mantém a relação de corrente do coletor.
Figura 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode com Maxim Integrated*'s MAX31730 Beta Compensation Enabled
Esta figura mostra que a precisão da medição é alcançada com a compensação Beta habilitada. As medições foram feitas durante a condição de desligamento do FPGA - espera-se que as temperaturas definidas e medidas sejam próximas.
| 0˚C | 50˚C | 100˚C | |
| Compensação beta desligada | 25.0625˚C | 70.1875˚C | 116.5625˚C |
| Compensação beta ativada | -0.6875°C | 49.4375˚C | 101.875˚C |
Capacitor de entrada diferencial
O capacitor (CF) nos pinos P e N atua como um filtro passa-baixo que ajuda a filtrar o ruído de alta frequência e melhorar a interferência eletromagnética (EMI).
Você deve ter cuidado durante a seleção do capacitor porque a grande capacitância pode afetar o tempo de subida da fonte de corrente comutada e introduzir um grande erro de medição. Normalmente, o fabricante do chip sensor de temperatura fornece o valor de capacitância recomendado em sua folha de dados. Consulte as diretrizes ou recomendações de design do fabricante do capacitor antes de decidir o valor da capacitância.
Figura 5. Capacitância de entrada diferencial
compensação compensatória
Vários fatores podem contribuir simultaneamente para o erro de medição. Às vezes, a aplicação de um único método de compensação pode não resolver totalmente o problema. Outro método para resolver o erro de medição é aplicar a compensação de deslocamento.
Observação: A Intel recomenda que você use um chip sensor de temperatura com compensação de deslocamento integrada. Se o chip sensor de temperatura não for compatível com o recurso, você pode aplicar compensação de deslocamento durante o pós-processamento por meio de software ou lógica personalizada.
A compensação de deslocamento altera o valor do registro de deslocamento do chip de detecção de temperatura para eliminar o erro calculado. Para usar esse recurso, você deve executar um teste de temperaturafile estudar e identificar o valor do offset a aplicar.
Você deve coletar medições de temperatura na faixa de temperatura desejada com as configurações padrão do chip sensor de temperatura. Depois, execute a análise de dados como no exemplo a seguirample para determinar o valor de compensação a ser aplicado. A Intel recomenda que você teste vários chips sensores de temperatura com vários diodos remotos de temperatura para garantir que você cubra as variações de peça a peça. Em seguida, use a média das medições na análise para determinar as configurações a serem aplicadas.
Você pode selecionar os pontos de temperatura para testar com base na condição de operação do sistema.
Equação 5. Fator de compensação
Example 2. Aplicação de Compensação de OffsetNeste exemploample, um conjunto de medições de temperatura foi coletado com três pontos de temperatura. Aplique a Equação 5 aos valores e calcule o fator de deslocamento.
Tabela 1. Dados coletados antes de aplicar a compensação de deslocamento
| Definir temperatura | Temperatura medida | ||
| 100°C | 373.15 mil | 111.06°C | 384.21 mil |
| 50°C | 323.15 mil | 61.38°C | 334.53 mil |
| 0°C | 273.15 mil | 11.31°C | 284.46 mil |
Use o ponto médio da faixa de temperatura para calcular a temperatura de deslocamento. neste example, o ponto médio é a temperatura definida de 50°C.
Temperatura compensada
- = Fator de deslocamento × (Temperatura medida - Temperatura definida)
- = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
- = 11.35
Aplique o valor da temperatura de deslocamento e outros fatores de compensação, se necessário, no chip sensor de temperatura e refaça a medição.
Tabela 2. Dados coletados após a aplicação da compensação de deslocamento
| Definir temperatura | Temperatura medida | Erro |
| 100°C | 101.06°C | 1.06°C |
| 50°C | 50.13°C | 0.13°C |
| 0°C | 0.25°C | 0.25°C |
Informações relacionadas
Resultados da avaliação
Fornece um review dos resultados da avaliação do método de compensação de deslocamento com os chips de detecção de temperatura Maxim Integrated* e Texas Instruments*.
Resultados da avaliação
Na avaliação, os kits de avaliação MAX31730 da Maxim Integrated* e TMP468 da Texas Instruments* foram modificados para fazer a interface com os diodos remotos de temperatura de vários blocos no Intel FPGA.
Tabela 3. Blocos avaliados e modelos de tabuleiro
| Bloquear | Placa de avaliação do chip sensor de temperatura | |
| TMP468 da Texas Instruments | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| Tecido de núcleo Intel Stratix 10 | Sim | Sim |
| H-telha ou L-telha | Sim | Sim |
| Bloco eletrônico | Sim | Sim |
| Telha P | Sim | Sim |
As figuras a seguir mostram a configuração da placa Intel FPGA com as placas de avaliação Maxim Integrated e Texas Instruments.
Figura 6. Configuração com placa de avaliação MAX31730 da Maxim Integrate d
Figura 7. Configuração com a placa de avaliação TMP468 da Texas Instruments
- Uma força térmica - ou, alternativamente, você pode usar uma câmara de temperatura - cobriu e selou o FPGA e forçou a temperatura de acordo com o ponto de temperatura definido.
- Durante este teste, o FPGA permaneceu em estado desenergizado para evitar que gerasse calor.
- O tempo de imersão para cada ponto de teste de temperatura foi de 30 minutos.
- As configurações nos kits de avaliação usaram as configurações padrão dos fabricantes.
- Após a configuração, as etapas em Compensação de deslocamento na página 10 foram seguidas para coleta e análise de dados.
Avaliação com placa de avaliação de chip de detecção de temperatura MAX31730 da Maxim Integrated
Essa avaliação foi realizada com as etapas de configuração descritas em Compensação de deslocamento.
Os dados foram coletados antes e depois da aplicação da compensação de offset. Diferentes temperaturas de deslocamento foram aplicadas a diferentes blocos Intel FPGA porque um único valor de deslocamento não pode ser aplicado em todos os blocos. As figuras a seguir mostram os resultados.
Figura 8. Dados para Intel Stratix 10 Core Fabric
Figura 9. Dados para Intel FPGA H-Tile e L-Tile
Figura 10. Dados para Intel FPGA E-Tile
Figura 11. Dados para Intel FPGA P-Tile
Avaliação com a placa de avaliação do chip de detecção de temperatura TMP468 da Texas Instruments
Essa avaliação foi realizada com as etapas de configuração descritas em Compensação de deslocamento.
Os dados foram coletados antes e depois da aplicação da compensação de offset. Diferentes temperaturas de deslocamento foram aplicadas a diferentes blocos Intel FPGA porque um único valor de deslocamento não pode ser aplicado em todos os blocos. As figuras a seguir mostram os resultados.
Figura 12. Dados para Intel Stratix 10 Core Fabric
Figura 13. Dados para Intel FPGA H-Tile e L-Tile
Figura 14. Dados para Intel FPGA E-Tile
Figura 15. Dados para Intel FPGA P-Tile
Conclusão
Existem muitos fabricantes diferentes de chips sensores de temperatura. Durante a seleção do componente, a Intel recomenda enfaticamente que você selecione o chip sensor de temperatura com as seguintes considerações.
- Selecione um chip com recurso de fator de idealidade configurável.
- Selecione um chip que tenha cancelamento de resistência em série.
- Selecione um chip que suporte a compensação Beta.
- Selecione capacitores que correspondam às recomendações do fabricante do chip.
- Aplique qualquer compensação apropriada após realizar um teste de temperaturafile estudar.
Com base na consideração da implementação e nos resultados da avaliação, você deve otimizar o chip sensor de temperatura em seu projeto para obter precisão de medição.
Histórico de revisão do documento para AN 769: Guia de implementação do diodo de detecção de temperatura remota Intel FPGA
| Versão do documento | Mudanças |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Lançamento inicial. |
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