Dióda diaľkového snímania teploty intel AN 769 FPGA
Úvod
V moderných elektronických aplikáciách, najmä aplikáciách, ktoré vyžadujú kritickú kontrolu teploty, je meranie teploty na čipe kľúčové.
Vysokovýkonné systémy sa spoliehajú na presné merania teploty pre vnútorné a vonkajšie prostredie.
- Optimalizujte výkon
- Zabezpečte spoľahlivú prevádzku
- Zabráňte poškodeniu komponentov
Systém monitorovania teploty Intel® FPGA vám umožňuje používať čipy tretích strán na sledovanie teploty prechodu (TJ). Tento externý systém monitorovania teploty funguje, aj keď je Intel FPGA vypnutý alebo nie je nakonfigurovaný. Existuje však niekoľko vecí, ktoré musíte zvážiť pri navrhovaní rozhrania medzi externým čipom a diódami diaľkového snímania teploty Intel FPGA (TSD).
Keď si vyberiete čip na snímanie teploty, zvyčajne sa pozriete na presnosť teploty, ktorú chcete dosiahnuť. S najnovšou procesnou technológiou a odlišným dizajnom vzdialeného TSD však musíte zvážiť aj vstavané funkcie čipu na snímanie teploty, aby ste splnili požiadavky na presnosť návrhu.
Pochopením fungovania systému vzdialeného merania teploty Intel FPGA môžete:
- Objavte bežné problémy s aplikáciami na snímanie teploty.
- Vyberte najvhodnejší čip na snímanie teploty, ktorý vyhovuje potrebám vašej aplikácie, nákladom a času návrhu.
Spoločnosť Intel dôrazne odporúča, aby ste zmerali teplotu na diere pomocou miestnych TSD, ktoré spoločnosť Intel overila. Spoločnosť Intel nemôže overiť presnosť externých snímačov teploty v rôznych systémových podmienkach. Ak chcete používať vzdialené TSD s externými teplotnými snímačmi, postupujte podľa pokynov v tomto dokumente a overte presnosť nastavenia merania teploty.
Táto aplikačná poznámka sa vzťahuje na vzdialenú implementáciu TSD pre rodinu zariadení Intel Stratix® 10 FPGA.
Implementácia skončilaview
Čip externého snímania teploty sa pripája k vzdialenému TSD Intel FPGA. Vzdialený TSD je tranzistor pripojený k dióde PNP alebo NPN.
- Obrázok 1. Spojenie medzi čipom snímania teploty a Intel FPGA Remote TSD (NPN Diode)
- Obrázok 2. Spojenie medzi čipom na snímanie teploty a Intel FPGA Remote TSD (PNP Diode)
Nasledujúca rovnica tvorí teplotu tranzistora vo vzťahu k báze-emitor objtage (VBE).
- Rovnica 1. Vzťah medzi teplotou tranzistora a bázou-emitor objtage (VBE)
kde:
- T – teplota v Kelvinoch
- q - elektrónový náboj (1.60 × 10-19 C)
- VBE—základ-emitor objtage
- k – Boltzmannova konštanta (1.38 × 10-23 J∙K-1)
- IC – kolektorový prúd
- IS—reverzný saturačný prúd
- η — faktor ideálnosti vzdialenej diódy
Preusporiadaním rovnice 1 získate nasledujúcu rovnicu.
- Rovnica 2. VBE
Čip snímajúci teplotu zvyčajne núti dva po sebe idúce dobre kontrolované prúdy, I1 a I2 na kolíky P a N. Čip potom meria a spriemeruje zmenu VBE diódy. Delta vo VBE je priamo úmerná teplote, ako ukazuje rovnica 3. - Rovnica 3. Delta vo VBE
kde:
- n—pomer vynúteného prúdu
- VBE1—základ-emitor objtage na I1
- VBE2—základ-emitor objtage na I2
Zváženie implementácie
Výber čipu na snímanie teploty s príslušnými funkciami vám umožňuje optimalizovať čip na dosiahnutie presnosti merania. Pri výbere čipu zvážte témy v súvisiacich informáciách.
- Faktor ideality (η-Factor) Nezhoda
- Chyba sériového odporu
- Teplotná dióda Beta variácia
- Diferenčný vstupný kondenzátor
- Offsetová kompenzácia
Faktor ideality (η-Factor) Nezhoda
Keď vykonávate meranie teploty prechodu pomocou externej teplotnej diódy, presnosť merania teploty závisí od charakteristík externej diódy. Faktor ideality je parameter vzdialenej diódy, ktorý meria odchýlku diódy od jej ideálneho správania.
Faktor ideálnosti zvyčajne nájdete v údajovom liste od výrobcu diódy. Rôzne externé teplotné diódy vám dávajú rôzne hodnoty kvôli odlišnému dizajnu a procesným technológiám, ktoré používajú.
Nesúlad ideálnosti môže spôsobiť značnú chybu merania teploty. Aby sa predišlo významnej chybe, spoločnosť Intel odporúča, aby ste vybrali čip snímajúci teplotu, ktorý má konfigurovateľný faktor ideálnosti. Môžete zmeniť hodnotu faktora ideálnosti v čipe, aby ste odstránili chybu nesúladu.
- Example 1. Príspevok faktora ideality k chybe merania teploty
Tento example ukazuje, ako faktor ideálnosti prispieva k chybe merania teploty. V example, výpočet ukazuje nesúlad ideálnosti spôsobujúci významnú chybu merania teploty.
- Rovnica 4. Faktor ideality Vzťah k nameranej teplote
kde:
- ηTSC—faktor ideálnosti čipu snímajúceho teplotu
- TTSC—teplota načítaná čipom snímajúcim teplotu
- ηRTD—faktor ideálnosti diaľkovej teplotnej diódy
- TRTD—teplota na diaľkovej teplotnej dióde
Nasledujúce kroky odhadujú meranie teploty (TTSC) pomocou čipu na snímanie teploty pri nasledujúcich hodnotách:
- Faktor ideálnosti snímača teploty (ηTSC) je 1.005
- Faktor ideálnosti diaľkovej teplotnej diódy (ηRTD) je 1.03
- Aktuálna teplota na diaľkovej teplotnej dióde (TRTD) je 80°C
- Preveďte TRTD 80 °C na Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- Použite rovnicu 4. Vypočítaná teplota čipom snímajúcim teplotu je 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
- Preveďte vypočítanú hodnotu na stupne Celzia: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43 °C Chyba teploty (TE) spôsobená nesúladom ideálnosti:
TE = 71.43 °C – 80.0 °C = –8.57 °C
Chyba sériového odporu
Sériový odpor na kolíkoch P a N prispieva k chybe merania teploty.
Sériový odpor môže byť od:
- Vnútorný odpor kolíkov P a N teplotnej diódy.
- Stopový odpor dosky, naprample, dlhá stopa dosky.
Sériový odpor spôsobuje dodatočné objtage pokles na dráhe snímania teploty a výsledkom je chyba merania, ktorá ovplyvňuje presnosť merania teploty. Táto situácia sa zvyčajne stáva, keď vykonávate meranie teploty pomocou 2-prúdového čipu na snímanie teploty.
Obrázok 3. Vnútorný a zabudovaný sériový odpor
Aby sa vysvetlila chyba teploty, ktorá vzniká pri zvýšení sériového odporu, niektorí výrobcovia čipov na snímanie teploty poskytujú údaje o chybe teploty vzdialenej diódy v porovnaní s odporom.
Chybu sériového odporu však môžete odstrániť. Niektoré čipy na snímanie teploty majú zabudovanú funkciu zrušenia sériového odporu. Funkcia zrušenia sériového odporu môže eliminovať sériový odpor z rozsahu niekoľkých stoviek Ω do rozsahu presahujúceho niekoľko tisíc Ω.
Spoločnosť Intel odporúča, aby ste pri výbere čipu na snímanie teploty zvážili funkciu zrušenia sériového odporu. Funkcia automaticky eliminuje teplotnú chybu spôsobenú odporom vedenia k vzdialenému tranzistoru.
Teplotná dióda Beta variácia
Keď sa geometria procesnej technológie zmenšuje, hodnota Beta (β) substrátu PNP alebo NPN klesá.
Keď sa hodnota beta teplotnej diódy znižuje, najmä ak je kolektor teplotnej diódy spojený so zemou, hodnota Beta ovplyvňuje pomer prúdu podľa rovnice 3 na strane 5. Preto je dôležité udržiavať presný pomer prúdu.
Niektoré čipy na snímanie teploty majú zabudovanú funkciu Beta kompenzácie. Verzia Beta obvodu sníma základný prúd a upravuje prúd emitora, aby kompenzoval odchýlky. Beta kompenzácia udržuje pomer kolektorového prúdu.
Obrázok 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode with Maxim Integrated*'s MAX31730 Beta Compensation Enabled
Tento obrázok ukazuje, že presnosť merania sa dosiahne so zapnutou kompenzáciou Beta. Merania boli vykonané počas stavu vypnutia FPGA – očakáva sa, že nastavené a namerané teploty budú blízko.
| 0˚C | 50˚C | 100˚C | |
| Beta kompenzácia vypnutá | 25.0625˚C | 70.1875˚C | 116.5625˚C |
| Beta kompenzácia zapnutá | -0.6875 °C | 49.4375˚C | 101.875˚C |
Diferenčný vstupný kondenzátor
Kondenzátor (CF) na kolíkoch P a N funguje ako dolnopriepustný filter, ktorý pomáha filtrovať vysokofrekvenčný šum a zlepšuje elektromagnetické rušenie (EMI).
Pri výbere kondenzátora musíte byť opatrní, pretože veľká kapacita môže ovplyvniť čas nábehu spínaného zdroja prúdu a spôsobiť veľkú chybu merania. Výrobca čipu na snímanie teploty zvyčajne uvádza odporúčanú hodnotu kapacity vo svojom údajovom liste. Pred rozhodnutím o hodnote kapacity si prečítajte pokyny alebo odporúčania výrobcu kondenzátora.
Obrázok 5. Diferenčná vstupná kapacita
Offsetová kompenzácia
K chybe merania môže súčasne prispieť viacero faktorov. Aplikácia jednej metódy kompenzácie niekedy nemusí problém úplne vyriešiť. Ďalšou metódou na vyriešenie chyby merania je použitie kompenzácie posunu.
Poznámka: Spoločnosť Intel odporúča použiť čip na snímanie teploty so vstavanou kompenzáciou posunu. Ak čip snímajúci teplotu túto funkciu nepodporuje, môžete použiť kompenzáciu posunu počas následného spracovania pomocou vlastnej logiky alebo softvéru.
Kompenzácia posunu mení hodnotu registra posunu z čipu snímajúceho teplotu, aby sa eliminovala vypočítaná chyba. Ak chcete použiť túto funkciu, musíte vykonať teplotný profesionálfile preštudujte a identifikujte hodnotu offsetu, ktorá sa má použiť.
Musíte zbierať merania teploty v požadovanom teplotnom rozsahu s predvolenými nastaveniami čipu na snímanie teploty. Potom vykonajte analýzu údajov ako v nasledujúcom príkladeample na určenie hodnoty posunu, ktorá sa má použiť. Spoločnosť Intel odporúča, aby ste otestovali niekoľko čipov na snímanie teploty s niekoľkými diaľkovými teplotnými diódami, aby ste sa uistili, že pokryjete variácie medzi jednotlivými časťami. Potom použite priemer meraní v analýze na určenie nastavení, ktoré sa majú použiť.
Teplotné body, ktoré sa majú testovať, si môžete vybrať na základe prevádzkových podmienok vášho systému.
Rovnica 5. Faktor posunu
Example 2. Aplikácia kompenzácie posunu V tomto example sa zhromaždil súbor meraní teploty s tromi teplotnými bodmi. Použite rovnicu 5 na hodnoty a vypočítajte faktor posunu.
Tabuľka 1. Údaje zhromaždené pred použitím kompenzácie kompenzácie
| Nastavte teplotu | Nameraná teplota | ||
| 100 °C | 373.15 tis | 111.06 °C | 384.21 tis |
| 50 °C | 323.15 tis | 61.38 °C | 334.53 tis |
| 0 °C | 273.15 tis | 11.31 °C | 284.46 tis |
Na výpočet offsetovej teploty použite stredný bod teplotného rozsahu. V tomto example, stredný bod je nastavená teplota 50°C.
Offsetová teplota
- = Faktor posunu × ( Nameraná teplota – Nastavená teplota )
- = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
- = 11.35
Použite offsetovú hodnotu teploty a ďalšie kompenzačné faktory, ak je to potrebné, do čipu na snímanie teploty a znova vykonajte meranie.
Tabuľka 2. Údaje zhromaždené po použití kompenzácie kompenzácie
| Nastavte teplotu | Nameraná teplota | Chyba |
| 100 °C | 101.06 °C | 1.06 °C |
| 50 °C | 50.13 °C | 0.13 °C |
| 0 °C | 0.25 °C | 0.25 °C |
Súvisiace informácie
Výsledky hodnotenia
Poskytuje review výsledkov vyhodnotenia metódy kompenzácie ofsetu s čipmi Maxim Integrated* a Texas Instruments* na snímanie teploty.
Výsledky hodnotenia
Pri hodnotení boli vyhodnocovacie súpravy MAX31730 od Maxim Integrated* a vyhodnocovacie súpravy TMP468 od Texas Instruments* upravené na prepojenie so vzdialenými teplotnými diódami niekoľkých blokov v Intel FPGA.
Tabuľka 3. Hodnotené bloky a modely dosiek
| Blokovať | Rada na vyhodnotenie čipov snímania teploty | |
| TMP468 od Texas Instruments | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| Tkanina jadra Intel Stratix 10 | áno | áno |
| H-dlaždice alebo L-dlaždice | áno | áno |
| E-dlaždice | áno | áno |
| P-dlaždice | áno | áno |
Nasledujúce obrázky zobrazujú nastavenie dosky Intel FPGA s vyhodnocovacími doskami Maxim Integrated a Texas Instruments.
Obrázok 6. Nastavenie pomocou hodnotiacej rady MAX31730 Maxim Integrate d's
Obrázok 7. Nastavenie pomocou hodnotiacej rady TMP468 od Texas Instruments
- Tepelná sila - alebo alternatívne môžete použiť teplotnú komoru - zakrytá a utesnená FPGA a vynútila teplotu podľa nastaveného teplotného bodu.
- Počas tohto testu zostalo FPGA v stave bez napájania, aby sa zabránilo vytváraniu tepla.
- Čas namáčania pre každý testovací bod bol 30 minút.
- Nastavenia na hodnotiacich súpravách využívali predvolené nastavenia od výrobcov.
- Po nastavení sa pri zbere a analýze údajov postupovali podľa krokov v časti Kompenzácia posunu na strane 10.
Hodnotenie pomocou rady na hodnotenie čipov snímania teploty MAX31730 spoločnosti Maxim Integrated
Toto vyhodnotenie sa uskutočnilo s krokmi nastavenia, ako je opísané v časti Kompenzácia posunu.
Údaje boli zhromaždené pred a po uplatnení kompenzácie. Na rôzne bloky Intel FPGA bola aplikovaná rozdielna offsetová teplota, pretože jednu hodnotu offsetu nemožno použiť na všetky bloky. Nasledujúce obrázky ukazujú výsledky.
Obrázok 8. Údaje pre Intel Stratix 10 Core Fabric
Obrázok 9. Údaje pre Intel FPGA H-Tile a L-Tile
Obrázok 10. Údaje pre Intel FPGA E-Tile
Obrázok 11. Údaje pre Intel FPGA P-Tile
Hodnotenie pomocou rady na vyhodnotenie čipov TMP468 od spoločnosti Texas Instruments
Toto vyhodnotenie sa uskutočnilo s krokmi nastavenia, ako je opísané v časti Kompenzácia posunu.
Údaje boli zhromaždené pred a po uplatnení kompenzácie. Na rôzne bloky Intel FPGA bola aplikovaná rozdielna offsetová teplota, pretože jednu hodnotu offsetu nemožno použiť na všetky bloky. Nasledujúce obrázky ukazujú výsledky.
Obrázok 12. Údaje pre Intel Stratix 10 Core Fabric
Obrázok 13. Údaje pre Intel FPGA H-Tile a L-Tile
Obrázok 14. Údaje pre Intel FPGA E-Tile
Obrázok 15. Údaje pre Intel FPGA P-Tile
Záver
Existuje mnoho rôznych výrobcov čipov na snímanie teploty. Pri výbere komponentov spoločnosť Intel dôrazne odporúča, aby ste pri výbere čipu na snímanie teploty brali do úvahy nasledujúce skutočnosti.
- Vyberte čip s konfigurovateľnou funkciou faktora ideálnosti.
- Vyberte čip, ktorý má zrušenie sériového odporu.
- Vyberte čip, ktorý podporuje Beta kompenzáciu.
- Vyberte kondenzátory, ktoré zodpovedajú odporúčaniam výrobcu čipu.
- Po vykonaní teplotného profesionála použite vhodnú kompenzáciufile štúdium.
Na základe zváženia implementácie a výsledkov hodnotenia musíte vo svojom návrhu optimalizovať čip na snímanie teploty, aby ste dosiahli presnosť merania.
História revízií dokumentu pre AN 769: Sprievodca implementáciou diódy diaľkového snímania teploty Intel FPGA
| Verzia dokumentu | Zmeny |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Prvotné uvoľnenie. |
Intel Corporation. Všetky práva vyhradené. Intel, logo Intel a ďalšie značky Intel sú ochranné známky spoločnosti Intel Corporation alebo jej dcérskych spoločností. Spoločnosť Intel zaručuje výkon svojich FPGA a polovodičových produktov podľa aktuálnych špecifikácií v súlade so štandardnou zárukou spoločnosti Intel, ale vyhradzuje si právo kedykoľvek bez upozornenia zmeniť akékoľvek produkty a služby. Spoločnosť Intel nepreberá žiadnu zodpovednosť ani zodpovednosť vyplývajúcu z aplikácie alebo používania akýchkoľvek informácií, produktov alebo služieb opísaných v tomto dokumente, pokiaľ to nie je výslovne písomne dohodnuté spoločnosťou Intel. Zákazníkom spoločnosti Intel sa odporúča získať najnovšiu verziu špecifikácií zariadenia skôr, ako sa budú spoliehať na akékoľvek zverejnené informácie a pred zadaním objednávky produktov alebo služieb.
*Iné názvy a značky môžu byť majetkom iných.
ISO
9001:2015
Registrovaný
Dokumenty / zdroje
 |
Dióda diaľkového snímania teploty intel AN 769 FPGA [pdf] Používateľská príručka AN 769 FPGA Dióda diaľkového snímania teploty, AN 769, Dióda diaľkového snímania teploty FPGA, Dióda diaľkového snímania teploty, Dióda snímajúca teplotu, Snímacia dióda |
