Användarhandbok för intel AN 769 FPGA fjärrtemperaturavkännande diod

Intel® FPGA-temperaturövervakningssystemet låter dig använda tredjepartschips för att övervaka korsningstemperaturen (TJ). Detta externa temperaturövervakningssystem fungerar även när Intel FPGA är avstängd eller inte konfigurerad. Det finns dock flera saker du måste tänka på när du designar gränssnittet mellan det externa chippet och Intel FPGA fjärrtemperaturavkänningsdioder (TSD).
När du väljer ett temperaturavkännande chip tittar du vanligtvis på den temperaturnoggrannhet du vill uppnå. Men med den senaste processtekniken och en annan fjärrstyrd TSD-design måste du också ta hänsyn till temperaturavkänningschipets inbyggda funktioner för att uppfylla dina krav på designnoggrannhet.

Genom att förstå hur Intel FPGA-fjärrmätningssystemet för temperaturmätning fungerar kan du:

Upptäck vanliga problem med temperaturavkänningsapplikationer.
Välj det mest lämpliga temperaturavkännande chipet som uppfyller dina applikationsbehov, kostnad och designtid.

Intel rekommenderar starkt att du mäter temperaturen på matrisen med hjälp av lokala TSD:er, som Intel har validerat. Intel kan inte validera noggrannheten hos externa temperatursensorer under olika systemförhållanden. Om du vill använda fjärrstyrda TSD:er med externa temperatursensorer, följ riktlinjerna i detta dokument och validera noggrannheten i din temperaturmätningsinställning.

Denna applikationsanmärkning gäller för fjärrimplementering av TSD för Intel Stratix® 10 FPGA-enhetsfamiljen.

Implementering överview

Det externa temperaturavkänningschippet ansluts till Intel FPGA-fjärrstyrd TSD. Fjärrstyrd TSD är en PNP- eller NPN-diodansluten transistor.

Figur 1. Anslutning mellan temperaturavkännande chip och Intel FPGA Remote TSD (NPN Diode)

Figur 2. Anslutning mellan temperaturavkännande chip och Intel FPGA Remote TSD (PNP Diode)

Följande ekvation bildar temperaturen hos en transistor i förhållande till basemitterns volymtage (VBE).

Ekvation 1. Relation Between Temperature of Transistor to Base-Emitter Voltage (VBE)Där:
- T—Temperatur i Kelvin
- q—elektronladdningen (1.60 × 10−19 C)
- VBE—base-emitter voltage
- k—Boltzmann konstant (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC—kollektorströmmen
- IS—den omvända mättnadsströmmen
- η — idealitetsfaktorn för fjärrdioden
  Om du arrangerar om ekvation 1 får du följande ekvation.

Ekvation 2. VBE
Typiskt tvingar temperaturavkännande chip två på varandra följande välkontrollerade strömmar, I1 och I2 på P- och N-stiften. Chipet mäter sedan och beräknar ett medelvärde för förändringen av diodens VBE. Deltat i VBE är direkt proportionellt mot temperaturen, som visas i ekvation 3.
Ekvation 3. Delta i VBEDär:
- n—tvingat strömförhållande
- VBE1—base-emitter voltage vid I1
- VBE2—base-emitter voltage vid I2

Implementeringsövervägande

Genom att välja temperaturavkännande chip med lämpliga funktioner kan du optimera chipet för att uppnå mätnoggrannhet. Tänk på ämnena i den relaterade informationen när du väljer chipet.

Relaterad information

Idealitetsfaktor (η-faktor) Felmatchning
Seriemotståndsfel
Temperatur Diode Beta Variation
Differentialingångskondensator
Offsetkompensation

Idealitetsfaktor (η-faktor) Felmatchning

När du utför kopplingstemperaturmätning med hjälp av en extern temperaturdiod beror noggrannheten på temperaturmätningen på den externa diodens egenskaper. Idealitetsfaktorn är en parameter för en fjärrdiod som mäter diodens avvikelse från dess ideala beteende.
Du kan vanligtvis hitta idealitetsfaktorn i databladet från diodtillverkaren. Olika externa temperaturdioder ger dig olika värden på grund av de olika design- och processteknikerna de använder.
Idealitetsfel kan orsaka ett betydande temperaturmätningsfel. För att undvika det betydande felet rekommenderar Intel att du väljer ett temperaturavkännande chip som har en konfigurerbar idealitetsfaktor. Du kan ändra idealitetsfaktorvärdet i chippet för att eliminera missmatchningsfelet.

Example 1. Idealitetsfaktor Bidrag till temperaturmätningsfel

Detta example visar hur idealitetsfaktorn bidrar till temperaturmätningsfelet. I example, visar beräkningen idealitetsfelanpassningen som orsakar ett signifikant temperaturmätningsfel.

Ekvation 4. Idealitetsfaktors relation till uppmätt temperatur

Där:

ηTSC—idealitetsfaktor för temperaturavkännande chip
TTSC—temperatur avläst av temperaturavkänningschippet
ηRTD—idealitetsfaktor för fjärrtemperaturdioden
TRTD—temperatur vid fjärrtemperaturdioden

Följande steg uppskattar temperaturmätning (TTSC) av temperaturavkänningschippet, givet följande värden:

Idealitetsfaktorn för temperatursensorn (ηTSC) är 1.005
Idealitetsfaktorn för fjärrtemperaturdioden (ηRTD) är 1.03
Den faktiska temperaturen vid fjärrtemperaturdioden (TRTD) är 80°C

Konvertera TRTD på 80°C till Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
Tillämpa ekvation 4. Den beräknade temperaturen av temperaturavkänningschippet är 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03

Konvertera det beräknade värdet till Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Temperaturfelet (TE) orsakat av idealitetsfel:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Seriemotståndsfel

Serieresistansen på P- och N-stiften bidrar till temperaturmätningsfel.

Seriemotståndet kan vara från:

Det inre motståndet hos temperaturdiodens P- och N-stift.
Styrelsens spårmotstånd, t.example, ett långt brädspår.

Serieresistansen orsakar ytterligare voltage att sjunka vid temperaturavkänningsvägen och resulterar i mätfel, vilket påverkar noggrannheten i temperaturmätningen. Vanligtvis inträffar denna situation när du utför temperaturmätning med ett 2-ströms temperaturavkännande chip.

Figur 3. Internt och inbyggt seriemotståndFör att förklara temperaturfelet som uppstår när serieresistansen ökar, tillhandahåller någon tillverkare av temperaturavkännande chip data för fjärrdiodens temperaturfel kontra resistansen.
Du kan dock eliminera serieresistansfelet. Vissa temperaturavkännande chip har inbyggd serieresistansavstängningsfunktion. Serieresistansannulleringsfunktionen kan eliminera serieresistansen från ett område på några hundra Ω till ett område som överstiger några tusen Ω.
Intel rekommenderar att du överväger funktionen för avbrytande av serieresistans när du väljer temperaturavkännande chip. Funktionen eliminerar automatiskt temperaturfelet som orsakas av resistansen i routingen till fjärrtransistorn.

Temperatur Diode Beta Variation

När processteknikens geometrier blir mindre, minskar Beta(β)-värdet för PNP- eller NPN-substratet.
Eftersom temperaturdiodens Beta-värde blir lägre, speciellt om temperaturdiodkollektorn är bunden till marken, påverkar Beta-värdet strömförhållandet på ekvation 3 på sidan 5. Därför är det avgörande att upprätthålla ett korrekt strömförhållande.
Vissa temperaturavkännande chips har inbyggd Beta-kompensationsfunktion. Betavariationen av kretsen känner av basströmmen och justerar emitterströmmen för att kompensera för variationen. Beta-kompensationen upprätthåller kollektorströmförhållandet.

Figur 4. Intel Stratix 10 Core Fabric Temperature Diode med Maxim Integrated*s MAX31730 Beta Compensation aktiverad
Denna figur visar att mätnoggrannheten uppnås med betakompensation aktiverad. Mätningarna gjordes under FPGA-avstängningstillstånd - de inställda och uppmätta temperaturerna förväntas vara nära.

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

Differentialingångskondensator

Kondensatorn (CF) på P- och N-stiften fungerar som ett lågpassfilter som hjälper till att filtrera det högfrekventa bruset och förbättra den elektromagnetiska störningen (EMI).
Du måste vara försiktig vid val av kondensator eftersom den stora kapacitansen kan påverka stigtiden för den switchade strömkällan och introducera ett enormt mätfel. Vanligtvis tillhandahåller tillverkaren av temperaturavkännande chip det rekommenderade kapacitansvärdet i sitt datablad. Se kondensatortillverkarens designriktlinjer eller rekommendationer innan du bestämmer dig för kapacitansvärdet.

Figur 5. Differentiell ingångskapacitans

Offsetkompensation

Flera faktorer kan samtidigt bidra till mätfelet. Ibland kan det hända att det inte helt löser problemet att tillämpa en enda kompensationsmetod. En annan metod för att lösa mätfelet är att tillämpa offsetkompensation.

Notera: Intel rekommenderar att du använder ett temperaturavkännande chip med inbyggd offsetkompensation. Om temperaturavkänningschippet inte stöder funktionen kan du tillämpa offsetkompensation under efterbehandling genom anpassad logik eller programvara.
Offsetkompensation ändrar offsetregistervärdet från temperaturavkänningschippet för att eliminera det beräknade felet. För att använda den här funktionen måste du utföra en temperaturprofile studera och identifiera det offsetvärde som ska tillämpas.

Du måste samla in temperaturmätningar över det önskade temperaturområdet med standardinställningarna för temperaturavkänningschippet. Efteråt, utför dataanalys som i följande example för att bestämma det offsetvärde som ska tillämpas. Intel rekommenderar att du testar flera temperaturavkännande chips med flera fjärrtemperaturdioder för att säkerställa att du täcker del-till-del-variationerna. Använd sedan mätmedelsnittet i analysen för att bestämma vilka inställningar som ska tillämpas.
Du kan välja temperaturpunkterna som ska testas baserat på systemets driftsförhållanden.

Ekvation 5. Offsetfaktor

Example 2. Tillämpning av offsetkompensationI detta example, en uppsättning temperaturmätningar samlades in med tre temperaturpunkter. Tillämpa ekvation 5 på värdena och beräkna offsetfaktorn.

Tabell 1. Data som samlats in innan offsetkompensation tillämpas

Ställ in temperatur		Uppmätt 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

Använd mittpunkten i temperaturområdet för att beräkna offsettemperaturen. I detta example, mittpunkten är den inställda temperaturen på 50°C.
Offset temperatur

= Offsetfaktor × ( Uppmätt temperatur−inställd temperatur )
= 0.9975 × (334.53 − 323.15)
= 11.35

Applicera temperaturförskjutningsvärdet och andra kompensationsfaktorer, om så krävs, i temperaturavkänningschippet och gör om mätningen.

Tabell 2. Data som samlats in efter tillämpning av offsetkompensation

Ställ in temperatur	Uppmätt temperatur	Fel
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Relaterad information
Utvärderingsresultat
Ger en review av utvärderingsresultaten för offsetkompensationsmetoden med Maxim Integrated* och Texas Instruments* temperaturavkännande chips.

Utvärderingsresultat

I utvärderingen modifierades Maxim Integrated*s MAX31730 och Texas Instruments*s TMP468 utvärderingskit för att samverka med fjärrtemperaturdioderna i flera block i Intel FPGA.

Tabell 3. Utvärderade block och brädmodeller

Blockera	Utvärderingstavla för temperaturavkännande chip
Blockera	Texas Instruments TMP468	Maxim Integrate d's MAX31730
Intel Stratix 10 kärna tyg	Ja	Ja
H-kakel eller L-kakel	Ja	Ja
E-kakel	Ja	Ja
P-kakel	Ja	Ja

Följande figurer visar installationen av Intel FPGA-kortet med Maxim Integrated och Texas Instruments utvärderingskort.

Figur 6. Installation med Maxim Integrate d's MAX31730 utvärderingstavla

Figur 7. Installation med Texas Instruments TMP468 Evaluation Board

En termisk kraftkälla - eller alternativt kan du använda en temperaturkammare - täckte och förseglade FPGA:n och tvingade fram temperaturen enligt den inställda temperaturpunkten.
Under detta test förblev FPGA:n i strömlöst tillstånd för att undvika att den genererade värme.
Blötläggningstiden för varje temperaturtestpunkt var 30 minuter.
Inställningarna på utvärderingssatserna använde standardinställningarna från tillverkarna.
Efter installationen följdes stegen i Offsetkompensation på sidan 10 för datainsamling och analys.

Utvärdering med Maxim Integrateds MAX31730 temperaturavkännande chiputvärderingskort

Denna utvärdering genomfördes med inställningssteg som beskrivs i Offsetkompensation.
Uppgifterna samlades in före och efter tillämpning av offsetkompensationen. Olika offsettemperaturer tillämpades på olika Intel FPGA-block eftersom ett enda offsetvärde inte kan tillämpas på alla block. Följande figurer visar resultaten.

Figur 8. Data för Intel Stratix 10 Core Fabric

Figur 9. Data för Intel FPGA H-Tile och L-Te

Figur 10. Data för Intel FPGA E-Tile

Figur 11. Data för Intel FPGA P-Tile

Utvärdering med Texas Instruments TMP468 temperaturavkännande Chip Evaluation Board

Figur 12. Data för Intel Stratix 10 Core Fabric

Figur 13. Data för Intel FPGA H-Tile och L-Te

Figur 14. Data för Intel FPGA E-Tile

Figur 15. Data för Intel FPGA P-Tile

Slutsats

Det finns många olika tillverkare av temperaturavkännande chip. Under komponentval rekommenderar Intel starkt att du väljer temperaturavkännande chip med följande överväganden.

Välj ett chip med konfigurerbar idealitetsfaktorfunktion.
Välj ett chip som har serieresistansavstängning.
Välj ett chip som stöder Beta-kompensation.
Välj kondensatorer som matchar chiptillverkarens rekommendationer.
Tillämpa lämplig kompensation efter att ha utfört en temperaturprofile studera.

Baserat på implementeringsövervägande och utvärderingsresultat måste du optimera temperaturavkänningschippet i din design för att uppnå mätnoggrannhet.

Dokumentrevisionshistorik för AN 769: Implementeringsguide för Intel FPGA fjärrtemperaturavkännande diod

Dokumentversion	Ändringar
2022.04.06	Korrigerade temperaturavkänningschipets temperaturberäkning i ämnet om idealitetsfaktorfelmatchning. Korrigerade offsettemperaturberäkningen example i ämnet om kvittningsersättning.
2021.02.09	Initial release.

Intel Corporation. Alla rättigheter förbehållna. Intel, Intels logotyp och andra Intel-märken är varumärken som tillhör Intel Corporation eller dess dotterbolag. Intel garanterar prestanda för sina FPGA- och halvledarprodukter enligt gällande specifikationer i enlighet med Intels standardgaranti, men förbehåller sig rätten att göra ändringar av alla produkter och tjänster när som helst utan föregående meddelande. Intel tar inget ansvar eller ansvar som uppstår till följd av applikationen eller användningen av någon information, produkt eller tjänst som beskrivs här, förutom vad som uttryckligen har godkänts skriftligen av Intel. Intel-kunder rekommenderas att skaffa den senaste versionen av enhetsspecifikationerna innan de förlitar sig på publicerad information och innan de beställer produkter eller tjänster.
*Andra namn och varumärken kan göras anspråk på att vara andras egendom.

ISO
9001:2015
Registrerad

Dokument/resurser

intel AN 769 FPGA Fjärrtemperaturavkänningsdiod [pdf] Användarhandbok
AN 769 FPGA Fjärrtemperaturavkänningsdiod, AN 769, FPGA Fjärrtemperaturavkänningsdiod, Fjärrtemperaturavkänningsdiod, Temperaturavkänningsdiod, Avkänningsdiod

Referenser

Användarmanual

intel AN 769 FPGA Fjärrtemperaturavkänningsdiod

Introduktion