Диод дистанционного измерения температуры Intel AN 769 FPGA
Введение
В современных электронных приложениях, особенно в приложениях, требующих критического контроля температуры, измерение температуры на кристалле имеет решающее значение.
Высокопроизводительные системы полагаются на точные измерения температуры внутри и снаружи помещений.
- Оптимизировать производительность
- Обеспечьте надежную работу
- Предотвращение повреждения компонентов
Система контроля температуры Intel® FPGA позволяет использовать чипы сторонних производителей для контроля температуры перехода (TJ). Эта внешняя система мониторинга температуры работает даже тогда, когда Intel FPGA выключена или не настроена. Однако есть несколько вещей, которые необходимо учитывать при проектировании интерфейса между внешним чипом и диодами дистанционного измерения температуры (TSD) Intel FPGA.
Когда вы выбираете чип измерения температуры, вы обычно обращаете внимание на точность температуры, которую хотите достичь. Однако, учитывая новейшие технологические процессы и другую конструкцию удаленного TSD, вы также должны учитывать встроенные функции чипа измерения температуры, чтобы удовлетворить ваши требования к точности конструкции.
Понимая работу системы дистанционного измерения температуры Intel FPGA, вы сможете:
- Узнайте о распространенных проблемах, связанных с приложениями для измерения температуры.
- Выберите наиболее подходящий чип измерения температуры, который соответствует потребностям вашего приложения, стоимости и времени разработки.
Intel настоятельно рекомендует измерять температуру кристалла с помощью локальных TSD, проверенных Intel. Корпорация Intel не может проверить точность внешних датчиков температуры в различных условиях системы. Если вы хотите использовать удаленные TSD с внешними датчиками температуры, следуйте инструкциям в этом документе и проверьте точность вашей настройки измерения температуры.
Данное замечание по применению относится к удаленной реализации TSD для семейства устройств Intel Stratix® 10 FPGA.
Реализация оконченаview
Внешний чип измерения температуры подключается к удаленному TSD Intel FPGA. Выносной ТСД представляет собой транзистор с диодным подключением PNP или NPN.
- Рисунок 1. Соединение между чипом измерения температуры и удаленным TSD Intel FPGA (диод NPN)
- Рисунок 2. Соединение между чипом измерения температуры и удаленным TSD Intel FPGA (диод PNP)
Следующее уравнение формирует температуру транзистора по отношению к объему база-эмиттер.tagе (ВБЕ).
- Уравнение 1. Связь между температурой транзистора и базой-эмиттером Voltagе (ВБЕ)
Где:
- T — температура в Кельвинах.
- q – заряд электрона (1.60 × 10–19 Кл)
- VBE — объем базы-эмиттераtage
- k — постоянная Больцмана (1.38 × 10–23 Дж∙К–1).
- IC — ток коллектора
- IS — обратный ток насыщения
- η – коэффициент идеальности выносного диода.
Переставив уравнение 1, вы получите следующее уравнение.
- Уравнение 2. VBE
Обычно микросхема измерения температуры подает два последовательных хорошо контролируемых тока, I1 и I2, на контакты P и N. Затем чип измеряет и усредняет изменение VBE диода. Дельта VBE прямо пропорциональна температуре, как показано в уравнении 3. - Уравнение 3. Дельта в VBE
Где:
- n — коэффициент вынужденной текущей ликвидности
- VBE1 — объем базы-эмиттераtagе в I1
- VBE2 — объем базы-эмиттераtagе в I2
Рассмотрение реализации
Выбор чипа измерения температуры с соответствующими функциями позволяет оптимизировать чип для достижения точности измерений. При выборе чипа учитывайте темы соответствующей информации.
- Несоответствие коэффициента идеальности (η-фактора)
- Ошибка последовательного сопротивления
- Изменение температуры диода бета
- Дифференциальный входной конденсатор
- Компенсация смещения
Несоответствие коэффициента идеальности (η-фактора)
При измерении температуры перехода с использованием внешнего температурного диода точность измерения температуры зависит от характеристик внешнего диода. Коэффициент идеальности — это параметр удаленного диода, который измеряет отклонение диода от его идеального поведения.
Обычно коэффициент идеальности можно найти в паспорте производителя диода. Различные внешние температурные диоды дают разные значения из-за разных конструкций и технологий, которые они используют.
Несоответствие идеальности может привести к значительной погрешности измерения температуры. Чтобы избежать значительной ошибки, Intel рекомендует выбирать микросхему измерения температуры с настраиваемым коэффициентом идеальности. Вы можете изменить значение коэффициента идеальности в чипе, чтобы исключить ошибку несоответствия.
- Exampле 1. Вклад фактора идеальности в погрешность измерения температуры
Этот бывшийampНа рисунке показано, как фактор идеальности влияет на погрешность измерения температуры. В бывшемampТо есть расчет показывает несоответствие идеальности, приводящее к значительной погрешности измерения температуры.
- Уравнение 4. Связь коэффициента идеальности с измеренной температурой
Где:
- ηTSC — коэффициент идеальности термочувствительного чипа.
- TTSC — температура, считываемая чипом измерения температуры.
- ηRTD — коэффициент идеальности выносного температурного диода.
- TRTD — температура на выносном температурном диоде.
Следующие шаги оценивают измерение температуры (TTSC) чипом измерения температуры, учитывая следующие значения:
- Коэффициент идеальности датчика температуры (ηTSC) составляет 1.005.
- Коэффициент идеальности выносного температурного диода (ηRTD) составляет 1.03.
- Фактическая температура на выносном температурном диоде (TRTD) составляет 80°C.
- Преобразуйте TRTD 80°C в Кельвины: 80 + 273.15 = 353.15 К.
- Примените уравнение 4. Рассчитанная температура чипа измерения температуры составляет 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03.
- Преобразуйте расчетное значение в шкалу Цельсия: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C. Температурная ошибка (TE), вызванная несоответствием идеальности:
TE = 71.43°С – 80.0°С = –8.57°С
Ошибка последовательного сопротивления
Последовательное сопротивление на выводах P и N приводит к погрешности измерения температуры.
Последовательное сопротивление может быть от:
- Внутреннее сопротивление выводов P и N температурного диода.
- Трассовое сопротивление платы, напримерampле, длинный след доски.
Последовательное сопротивление вызывает дополнительное напряжение.tage падает на пути измерения температуры, что приводит к ошибке измерения, влияющей на точность измерения температуры. Обычно такая ситуация возникает, когда вы выполняете измерение температуры с помощью 2-токовой микросхемы измерения температуры.
Рисунок 3. Внутреннее и встроенное последовательное сопротивление
Чтобы объяснить температурную ошибку, возникающую при увеличении последовательного сопротивления, некоторые производители микросхем измерения температуры предоставляют данные о температурной ошибке удаленного диода в зависимости от сопротивления.
Однако вы можете устранить ошибку последовательного сопротивления. Некоторые чипы измерения температуры имеют встроенную функцию подавления последовательного сопротивления. Функция подавления последовательного сопротивления может исключить последовательное сопротивление из диапазона от нескольких сотен Ом до диапазона, превышающего несколько тысяч Ом.
Intel рекомендует учитывать функцию подавления последовательного сопротивления при выборе чипа измерения температуры. Эта функция автоматически устраняет температурную ошибку, вызванную сопротивлением трассы удаленного транзистора.
Изменение температуры диода бета
По мере того как геометрия технологического процесса становится меньше, значение бета (β) подложки PNP или NPN уменьшается.
По мере того, как значение Beta температурного диода становится ниже, особенно если коллектор температурного диода подключен к земле, значение Beta влияет на соотношение токов в уравнении 3 на странице 5. Поэтому поддержание точного соотношения токов имеет решающее значение.
Некоторые чипы измерения температуры имеют встроенную функцию бета-компенсации. Бета-версия схемы определяет ток базы и регулирует ток эмиттера, чтобы компенсировать это изменение. Бета-компенсация поддерживает коэффициент тока коллектора.
Рисунок 4. Температурный диод Intel Stratix 10 Core с включенной бета-компенсацией MAX31730 Maxim Integrated*
На этом рисунке показано, что точность измерения достигается при включенной бета-компенсации. Измерения проводились в режиме отключения питания FPGA — ожидается, что заданная и измеренная температуры будут близки.
| 0˚C | 50˚C | 100˚C | |
| Бета-компенсация отключена | 25.0625˚C | 70.1875˚C | 116.5625˚C |
| Бета-компенсация включена | -0.6875˚С | 49.4375˚C | 101.875˚C |
Дифференциальный входной конденсатор
Конденсатор (CF) на контактах P и N действует как фильтр нижних частот, который помогает фильтровать высокочастотный шум и уменьшать электромагнитные помехи (EMI).
Вы должны быть осторожны при выборе конденсатора, поскольку большая емкость может повлиять на время нарастания коммутируемого источника тока и привести к огромной погрешности измерения. Обычно производитель чипа измерения температуры указывает рекомендуемое значение емкости в своем техническом паспорте. Прежде чем определить значение емкости, обратитесь к рекомендациям или рекомендациям производителя конденсатора.
Рисунок 5. Дифференциальная входная емкость
Компенсация смещения
На погрешность измерения могут одновременно влиять несколько факторов. Иногда применение одного метода компенсации может не полностью решить проблему. Другим методом устранения ошибки измерения является применение компенсации смещения.
Примечание: Intel рекомендует использовать микросхему измерения температуры со встроенной компенсацией смещения. Если микросхема измерения температуры не поддерживает эту функцию, вы можете применить компенсацию смещения во время постобработки с помощью специальной логики или программного обеспечения.
Компенсация смещения изменяет значение регистра смещения чипа измерения температуры, чтобы устранить рассчитанную ошибку. Чтобы использовать эту функцию, необходимо выполнить измерение температуры.file изучите и определите значение смещения, которое следует применить.
Вы должны собирать результаты измерений температуры в желаемом температурном диапазоне с настройками чипа измерения температуры по умолчанию. После этого выполните анализ данных, как в следующем примере.ample, чтобы определить значение смещения, которое следует применить. Intel рекомендует протестировать несколько микросхем измерения температуры с несколькими удаленными температурными диодами, чтобы убедиться в том, что вы учитываете различия между деталями. Затем используйте среднее значение измерений в анализе, чтобы определить настройки, которые следует применить.
Вы можете выбрать температурные точки для проверки в зависимости от условий работы вашей системы.
Уравнение 5. Коэффициент смещения
Exampле 2. Применение компенсации смещенияВ этом примереampТо есть был собран набор измерений температуры по трем температурным точкам. Примените уравнение 5 к значениям и рассчитайте коэффициент смещения.
Таблица 1. Данные, собранные перед применением компенсации смещения
| Установить температуру | Измеренная температура | ||
| 100°С | 373.15 К | 111.06°С | 384.21 К |
| 50°С | 323.15 К | 61.38°С | 334.53 К |
| 0°С | 273.15 К | 11.31°С | 284.46 К |
Используйте среднюю точку температурного диапазона для расчета температуры смещения. В этом бывшемampТо есть, средняя точка — это заданная температура 50°C.
Смещение температуры
- = Коэффициент смещения × (Измеренная температура – Установленная температура)
- = 0.9975 × (334.53 – 323.15)
- = 11.35
Примените значение смещения температуры и другие компенсационные коэффициенты, если необходимо, к чипу измерения температуры и повторите измерение.
Таблица 2. Данные, собранные после применения компенсации смещения
| Установить температуру | Измеренная температура | Ошибка |
| 100°С | 101.06°С | 1.06°С |
| 50°С | 50.13°С | 0.13°С |
| 0°С | 0.25°С | 0.25°С |
Сопутствующая информация
Результаты оценки
Обеспечивает повторноеview результатов оценки метода компенсации смещения с помощью термочувствительных микросхем Maxim Integrated* и Texas Instruments*.
Результаты оценки
В ходе оценки оценочные комплекты MAX31730 компании Maxim Integrated* и TMP468 компании Texas Instruments* были модифицированы для взаимодействия с удаленными температурными диодами нескольких блоков Intel FPGA.
Таблица 3. Оцененные блоки и модели плат
| Блокировать | Оценочная плата чипа измерения температуры | |
| TMP468 компании Texas Instruments | Максим Интеграт д'с MAX31730 | |
| 10-ядерная структура Intel Stratix | Да | Да |
| H-плитка или L-плитка | Да | Да |
| Электронная плитка | Да | Да |
| П-плитка | Да | Да |
На следующих рисунках показана установка платы Intel FPGA с оценочными платами Maxim Integrated и Texas Instruments.
Рисунок 6. Настройка с помощью оценочной платы MAX31730 компании Maxim Integrate d
Рисунок 7. Настройка с помощью оценочной платы TMP468 от Texas Instruments
- Термический преобразователь — или, альтернативно, вы можете использовать температурную камеру — закрывал и герметизировал FPGA и поддерживал температуру в соответствии с заданной температурной точкой.
- Во время этого теста FPGA оставалась в обесточенном состоянии, чтобы избежать выделения тепла.
- Время выдержки для каждой контрольной точки температуры составляло 30 минут.
- В настройках оценочных комплектов использовались настройки по умолчанию, заданные производителями.
- После настройки были выполнены шаги, описанные в разделе «Компенсация смещения» на стр. 10 для сбора и анализа данных.
Оценка с помощью оценочной платы микросхемы измерения температуры MAX31730 компании Maxim Integrated
Эта оценка была проведена с помощью шагов настройки, как описано в разделе «Компенсация смещения».
Данные были собраны до и после применения компенсации смещения. К разным блокам Intel FPGA применялась разная температура смещения, поскольку одно значение смещения не может быть применено ко всем блокам. На следующих рисунках показаны результаты.
Рисунок 8. Данные для Intel Stratix 10 Core Fabric.
Рис. 9. Данные для Intel FPGA H-Tile и L-Tile.
Рисунок 10. Данные для Intel FPGA E-Tile
Рисунок 11. Данные для Intel FPGA P-Tile
Оценка с помощью оценочной платы чипа измерения температуры TMP468 от Texas Instruments
Эта оценка была проведена с помощью шагов настройки, как описано в разделе «Компенсация смещения».
Данные были собраны до и после применения компенсации смещения. К разным блокам Intel FPGA применялась разная температура смещения, поскольку одно значение смещения не может быть применено ко всем блокам. На следующих рисунках показаны результаты.
Рисунок 12. Данные для Intel Stratix 10 Core Fabric.
Рис. 13. Данные для Intel FPGA H-Tile и L-Tile.
Рисунок 14. Данные для Intel FPGA E-Tile
Рисунок 15. Данные для Intel FPGA P-Tile
Заключение
Существует множество производителей чипов для измерения температуры. При выборе компонентов корпорация Intel настоятельно рекомендует выбирать микросхему измерения температуры с учетом следующих соображений.
- Выберите чип с настраиваемой функцией коэффициента идеальности.
- Выберите микросхему с функцией подавления последовательного сопротивления.
- Выберите чип, поддерживающий бета-компенсацию.
- Выбирайте конденсаторы, соответствующие рекомендациям производителя микросхемы.
- Примените любую соответствующую компенсацию после выполнения измерения температуры.file изучать.
Основываясь на результатах рассмотрения реализации и оценки, вы должны оптимизировать чип измерения температуры в вашей конструкции, чтобы добиться точности измерений.
История изменений документа для AN 769: Руководство по внедрению диода дистанционного измерения температуры Intel FPGA
| Версия документа | Изменения |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Первоначальный выпуск. |
Корпорация Интел. Все права защищены. Intel, логотип Intel и другие товарные знаки Intel являются товарными знаками корпорации Intel или ее дочерних компаний. Корпорация Intel гарантирует производительность своих FPGA и полупроводниковых продуктов в соответствии с текущими спецификациями в соответствии со стандартной гарантией Intel, но оставляет за собой право вносить изменения в любые продукты и услуги в любое время без предварительного уведомления. Intel не принимает на себя никакой ответственности или обязательств, возникающих в связи с применением или использованием какой-либо информации, продуктов или услуг, описанных в настоящем документе, за исключением случаев, когда это прямо согласовано с корпорацией Intel в письменной форме. Клиентам Intel рекомендуется получить последнюю версию спецификаций устройств, прежде чем полагаться на какую-либо опубликованную информацию и размещать заказы на продукты или услуги.
*Другие названия и бренды могут быть заявлены как собственность других лиц.
ИСО
9001:2015
Зарегистрирован
Документы/Ресурсы
 |
Диод дистанционного измерения температуры Intel AN 769 FPGA [pdf] Руководство пользователя AN 769 FPGA Диод для дистанционного измерения температуры, AN 769, FPGA Диод для дистанционного измерения температуры, Диод для дистанционного измерения температуры, Диод для дистанционного измерения температуры, Диод для дистанционного измерения температуры |
