Діод дистанційного вимірювання температури intel AN 769 FPGA
вступ
У сучасних електронних програмах, особливо в програмах, які вимагають критичного контролю температури, вимірювання температури на кристалі має вирішальне значення.
Високоефективні системи покладаються на точні вимірювання температури для внутрішнього та зовнішнього середовища.
- Оптимізація продуктивності
- Забезпечте надійну роботу
- Запобігайте пошкодженню компонентів
Система моніторингу температури Intel® FPGA дозволяє використовувати мікросхеми сторонніх виробників для моніторингу температури переходу (TJ). Ця зовнішня система моніторингу температури працює, навіть якщо Intel FPGA вимкнено або не налаштовано. Однак є кілька речей, які ви повинні враховувати під час розробки інтерфейсу між зовнішньою мікросхемою та дистанційними датчиками температури (TSD) Intel FPGA.
Коли ви обираєте чіп датчика температури, ви зазвичай дивитесь на точність температури, яку хочете досягти. Однак, завдяки новітній технології процесу та іншій конструкції віддаленого TSD, ви також повинні враховувати вбудовані функції мікросхеми датчика температури, щоб відповідати вашим вимогам щодо точності проектування.
Розуміючи роботу системи дистанційного вимірювання температури Intel FPGA, ви зможете:
- Дізнайтеся про типові проблеми з додатками вимірювання температури.
- Виберіть найбільш відповідний чіп датчика температури, який відповідає вашим потребам застосування, вартості та часу розробки.
Intel наполегливо рекомендує вимірювати температуру на кристалі за допомогою локальних TSD, перевірених Intel. Intel не може підтвердити точність зовнішніх датчиків температури за різних умов системи. Якщо ви хочете використовувати дистанційні TSD із зовнішніми датчиками температури, дотримуйтеся вказівок у цьому документі та перевірте точність налаштування вимірювання температури.
Ця примітка щодо застосування стосується віддаленої реалізації TSD для сімейства пристроїв Intel Stratix® 10 FPGA.
Реалізація завершенаview
Зовнішній датчик температури підключається до віддаленого TSD Intel FPGA. Віддалений TSD - транзистор PNP або NPN, підключений на діодах.
- малюнок 1. З’єднання між чіпом датчика температури та віддаленим TSD FPGA Intel (діод NPN)
- малюнок 2. З’єднання між чіпом датчика температури та віддаленим TSD FPGA Intel (діод PNP)
Наступне рівняння формує температуру транзистора по відношенню до об’єму бази-емітераtagе (VBE).
- Рівняння 1. Зв'язок між температурою транзистора і базою-емітеромtagе (VBE)
Де:
- T — температура в Кельвінах
- q – заряд електрона (1.60 × 10−19 Кл)
- VBE—база-емітер обtage
- k — постійна Больцмана (1.38 × 10−23 Дж∙K−1)
- IC—колекторний струм
- IS—зворотний струм насичення
- η — коефіцієнт ідеальності виносного діода
Переставивши рівняння 1, ви отримаєте таке рівняння.
- Рівняння 2. VBE
Як правило, мікросхема датчика температури створює два послідовні добре контрольовані струми, I1 і I2, на P і N контактах. Потім мікросхема вимірює та усереднює зміну VBE діода. Дельта у VBE прямо пропорційна температурі, як показано в рівнянні 3. - Рівняння 3. Дельта у VBE
Де:
- n — коефіцієнт форсованого струму
- VBE1—база-емітер обtage в I1
- VBE2—база-емітер обtage в I2
Розгляд впровадження
Вибір чіпа датчика температури з відповідними функціями дає змогу оптимізувати чіп для досягнення точності вимірювань. Вибираючи мікросхему, враховуйте теми у відповідній інформації.
- Невідповідність фактора ідеальності (η-фактора).
- Помилка послідовного опору
- Температурний діод Бета Варіація
- Диференціальний вхідний конденсатор
- Компенсація зсуву
Невідповідність фактора ідеальності (η-фактора).
Коли ви виконуєте вимірювання температури з’єднання за допомогою зовнішнього температурного діода, точність вимірювання температури залежить від характеристик зовнішнього діода. Коефіцієнт ідеальності - це параметр дистанційного діода, який вимірює відхилення діода від його ідеальної поведінки.
Зазвичай ви можете знайти коефіцієнт ідеальності в техпаспорті від виробника діода. Різні діоди зовнішньої температури дають різні значення через різну конструкцію та технології процесу, які вони використовують.
Невідповідність ідеальності може спричинити значну похибку вимірювання температури. Щоб уникнути суттєвої помилки, Intel рекомендує вибрати мікросхему датчика температури, яка має настроюваний коефіцієнт ідеальності. Ви можете змінити значення коефіцієнта ідеальності в мікросхемі, щоб усунути помилку невідповідності.
- Example 1. Внесок коефіцієнта ідеальності в похибку вимірювання температури
Цей колишнійample показує, як коефіцієнт ідеальності впливає на похибку вимірювання температури. У вихample, розрахунок показує невідповідність ідеальності, що спричиняє значну похибку вимірювання температури.
- Рівняння 4. Зв'язок коефіцієнта ідеальності з виміряною температурою
Де:
- ηTSC — коефіцієнт ідеальності мікросхеми датчика температури
- TTSC — температура, яка зчитується чіпом датчика температури
- ηRTD — коефіцієнт ідеальності виносного температурного діода
- TRTD—температура на виносному температурному діоді
Наступні кроки оцінюють вимірювання температури (TTSC) чіпом датчика температури за такими значеннями:
- Коефіцієнт ідеальності датчика температури (ηTSC) становить 1.005
- Коефіцієнт ідеальності дистанційного температурного діода (ηRTD) становить 1.03
- Фактична температура на дистанційному температурному діоді (TRTD) становить 80°C
- Перетворіть TRTD 80°C у Кельвін: 80 + 273.15 = 353.15 K.
- Застосуйте рівняння 4. Температура, розрахована датчиком температури, становить 1.005 × 353.15 = 344.57 К. TTSC = 1.03
- Перетворіть розраховане значення в градуси Цельсія: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Температурна похибка (TE), викликана невідповідністю ідеальності:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C
Помилка послідовного опору
Послідовний опір на висновках P і N сприяє похибці вимірювання температури.
Послідовний опір може бути від:
- Внутрішній опір P і N виводу температурного діода.
- Опір траси плати, напрample, довгий слід дошки.
Послідовний опір викликає додатковий обtage падає на шляху вимірювання температури та призводить до похибки вимірювання, що впливає на точність вимірювання температури. Як правило, така ситуація трапляється, коли ви виконуєте вимірювання температури за допомогою 2-струмового датчика температури.
малюнок 3. Внутрішній і вбудований послідовний опір
Щоб пояснити температурну похибку, яка виникає при збільшенні послідовного опору, деякі виробники чіпів датчика температури надають дані для температурної похибки дистанційного діода в залежності від опору.
Однак ви можете усунути помилку послідовного опору. Деякі мікросхеми датчика температури мають вбудовану функцію зменшення послідовного опору. Функція скасування послідовного опору може усунути послідовний опір із діапазону від кількох сотень Ом до діапазону, що перевищує кілька тисяч Ом.
Intel рекомендує врахувати функцію скасування послідовного опору, коли ви вибираєте мікросхему датчика температури. Ця функція автоматично усуває температурну помилку, спричинену опором маршрутизації до віддаленого транзистора.
Температурний діод Бета Варіація
Оскільки геометрія технологічного процесу стає меншою, значення бета (β) підкладки PNP або NPN зменшується.
Коли значення Beta температурного діода стає нижчим, особливо якщо колектор температурного діода прив’язаний до землі, значення Beta впливає на коефіцієнт струму в рівнянні 3 на сторінці 5. Тому підтримка точного коефіцієнта струму має вирішальне значення.
Деякі датчики температури мають вбудовану функцію бета-компенсації. Бета-варіація схеми визначає струм бази та регулює струм емітера, щоб компенсувати зміну. Бета-компенсація підтримує коефіцієнт струму колектора.
малюнок 4. Температурний діод Intel Stratix 10 Core Fabric із увімкненою бета-компенсацією Maxim Integrated* MAX31730
На цьому малюнку показано, що точність вимірювання досягається за ввімкненої бета-компенсації. Вимірювання проводилися під час вимкнення живлення FPGA — очікується, що задана та виміряна температури будуть близькими.
| 0˚С | 50˚С | 100˚С | |
| Бета-компенсація вимкнена | 25.0625˚С | 70.1875˚С | 116.5625˚С |
| Бета-компенсація ввімкнена | -0.6875˚C | 49.4375˚С | 101.875˚С |
Диференціальний вхідний конденсатор
Конденсатор (CF) на контактах P і N діє як фільтр низьких частот, який допомагає фільтрувати високочастотний шум і покращувати електромагнітні перешкоди (EMI).
Ви повинні бути обережними під час вибору конденсатора, оскільки велика ємність може вплинути на час наростання комутованого джерела струму та створити величезну похибку вимірювання. Як правило, виробник мікросхеми датчика температури надає рекомендоване значення ємності у своєму аркуші даних. Зверніться до вказівок або рекомендацій виробника конденсатора, перш ніж визначити значення ємності.
малюнок 5. Диференціальна вхідна ємність
Компенсація зсуву
Багато факторів можуть одночасно сприяти похибці вимірювання. Інколи застосування одного методу компенсації може не повністю вирішити проблему. Іншим методом усунення похибки вимірювання є застосування компенсації зсуву.
Примітка: Intel рекомендує використовувати мікросхему датчика температури з вбудованою компенсацією зсуву. Якщо чіп датчика температури не підтримує цю функцію, ви можете застосувати компенсацію зсуву під час постобробки за допомогою спеціальної логіки або програмного забезпечення.
Компенсація зсуву змінює значення регістра зсуву з мікросхеми датчика температури, щоб усунути обчислену помилку. Щоб скористатися цією функцією, необхідно провести тестування температуриfile вивчіть і визначте значення компенсації для застосування.
Ви повинні збирати вимірювання температури в потрібному діапазоні температур із налаштуваннями за замовчуванням датчика температури. Після цього виконайте аналіз даних, як показано в наступному прикладіample, щоб визначити значення зсуву для застосування. Корпорація Intel рекомендує протестувати кілька чіпів датчиків температури з кількома дистанційними температурними діодами, щоб переконатися, що ви охоплюєте різницю між частинами. Потім використовуйте середнє значення вимірювань в аналізі, щоб визначити параметри, які потрібно застосувати.
Ви можете вибрати температурні точки для тестування залежно від умов роботи системи.
Рівняння 5. Фактор зсуву
Example 2. Застосування компенсації зсуву У цьому прикладіample, набір температурних вимірювань був зібраний у трьох температурних точках. Застосуйте рівняння 5 до значень і обчисліть коефіцієнт зміщення.
Таблиця 1. Дані, зібрані перед застосуванням компенсації зсуву
| Встановити температуру | Виміряна температура | ||
| 100°C | 373.15 К | 111.06°C | 384.21 К |
| 50°C | 323.15 К | 61.38°C | 334.53 К |
| 0°C | 273.15 К | 11.31°C | 284.46 К |
Використовуйте середню точку діапазону температур, щоб обчислити температуру зміщення. У цьому ексample, середня точка – встановлена температура 50°C.
Зміщення температури
- = Коефіцієнт зсуву × (Виміряна температура − Задана температура)
- = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
- = 11.35
Застосуйте значення температури зміщення та інші коефіцієнти компенсації, якщо потрібно, до мікросхеми датчика температури та повторіть вимірювання.
Таблиця 2. Дані, зібрані після застосування компенсації зсуву
| Встановити температуру | Виміряна температура | Помилка |
| 100°C | 101.06°C | 1.06°C |
| 50°C | 50.13°C | 0.13°C |
| 0°C | 0.25°C | 0.25°C |
Пов'язана інформація
Результати оцінювання
Забезпечує реview результатів оцінки методу компенсації зсуву за допомогою датчиків температури Maxim Integrated* і Texas Instruments*.
Результати оцінювання
Під час оцінювання комплекти MAX31730 від Maxim Integrated* і TMP468 від Texas Instruments* були модифіковані для взаємодії з дистанційними температурними діодами кількох блоків FPGA Intel.
Таблиця 3. Оцінені блоки та моделі плат
| Блокувати | Плата оцінки мікросхем датчика температури | |
| TMP468 від Texas Instruments | Maxim Integrate d's MAX31730 | |
| Intel Stratix 10 core fabric | так | так |
| Плитка Н або Г-плитка | так | так |
| Електронна плитка | так | так |
| П-плитка | так | так |
На наступних малюнках показано налаштування плати Intel FPGA з оціночними платами Maxim Integrated і Texas Instruments.
малюнок 6. Налаштування за допомогою оціночної плати MAX31730 Maxim Integrate d
малюнок 7. Налаштування за допомогою оціночної плати TMP468 від Texas Instruments
- Термофорс — або, як альтернатива, ви можете використати температурну камеру — накрив і загерметизував FPGA та примусово підтримував температуру відповідно до заданої температури.
- Під час цього випробування FPGA залишалася без живлення, щоб уникнути виділення тепла.
- Час витримки для кожної точки тестування температури становив 30 хвилин.
- У налаштуваннях комплектів для оцінювання використовувалися стандартні налаштування виробників.
- Після налаштування виконали кроки, описані в розділі «Компенсація зсуву» на сторінці 10, для збору та аналізу даних.
Оцінка за допомогою плати оцінки мікросхеми датчика температури Maxim Integrated MAX31730
Ця оцінка була проведена за допомогою кроків налаштування, описаних у розділі Компенсація зсуву.
Дані були зібрані до і після застосування офсетної компенсації. Різну температуру зсуву було застосовано до різних блоків Intel FPGA, оскільки одне значення зміщення не може бути застосоване до всіх блоків. На наступних малюнках показані результати.
Рисунок 8. Дані для Intel Stratix 10 Core Fabric
Рисунок 9. Дані для H-Tile та L-Tile FPGA Intel
Рисунок 10. Дані для Intel FPGA E-Tile
Рисунок 11. Дані для Intel FPGA P-Tile
Оцінка за допомогою плати оцінювання мікросхеми датчика температури TMP468 від Texas Instruments
Ця оцінка була проведена за допомогою кроків налаштування, описаних у розділі Компенсація зсуву.
Дані були зібрані до і після застосування офсетної компенсації. Різну температуру зсуву було застосовано до різних блоків Intel FPGA, оскільки одне значення зміщення не може бути застосоване до всіх блоків. На наступних малюнках показані результати.
Рисунок 12. Дані для Intel Stratix 10 Core Fabric
Рисунок 13. Дані для H-Tile та L-Tile FPGA Intel
Рисунок 14. Дані для Intel FPGA E-Tile
Рисунок 15. Дані для Intel FPGA P-Tile
Висновок
Існує багато різних виробників мікросхем датчиків температури. Під час вибору компонентів Intel наполегливо рекомендує вибирати мікросхему датчика температури з урахуванням наведених нижче міркувань.
- Виберіть чіп із настроюваною функцією коефіцієнта ідеальності.
- Виберіть мікросхему, яка має скасування послідовного опору.
- Виберіть чіп, який підтримує бета-компенсацію.
- Вибирайте конденсатори, які відповідають рекомендаціям виробника мікросхеми.
- Застосуйте будь-яку відповідну компенсацію після виконання вимірювання температуриfile вивчення.
Виходячи з розгляду реалізації та результатів оцінки, ви повинні оптимізувати мікросхему датчика температури у вашій конструкції, щоб досягти точності вимірювань.
Історія версій документа для AN 769: Посібник із впровадження дистанційного датчика температури Intel FPGA
| Версія документа | Зміни |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | Початковий випуск. |
Корпорація Intel. Всі права захищені. Intel, логотип Intel та інші знаки Intel є товарними знаками корпорації Intel або її дочірніх компаній. Intel гарантує роботу своїх FPGA та напівпровідникових продуктів відповідно до поточних специфікацій відповідно до стандартної гарантії Intel, але залишає за собою право вносити зміни в будь-які продукти та послуги в будь-який час без попередження. Корпорація Intel не бере на себе жодної відповідальності чи зобов’язань, що виникають у зв’язку із застосуванням або використанням будь-якої інформації, продукту чи послуги, описаних у цьому документі, за винятком випадків, чітко наданих корпорацією Intel у письмовій формі. Клієнтам Intel рекомендується отримати останню версію специфікацій пристрою, перш ніж покладатися на будь-яку опубліковану інформацію та перед тим, як розміщувати замовлення на продукти чи послуги.
*Інші назви та бренди можуть бути власністю інших осіб.
ISO
9001:2015
Зареєстрований
Документи / Ресурси
 |
Діод дистанційного вимірювання температури intel AN 769 FPGA [pdfПосібник користувача AN 769 FPGA Remote Temperature Sensor Diode, AN 769, FPGA Remote Temperature Sensing Diode, Remote Temperature Sensor Diode, Temperature Sensor Diode, Sensor Diode |
