hướng dẫn sử dụng đi-ốt cảm biến nhiệt độ từ xa intel AN 769 FPGA

Hệ thống giám sát nhiệt độ Intel® FPGA cho phép bạn sử dụng chip của bên thứ ba để giám sát nhiệt độ đường giao nhau (TJ). Hệ thống theo dõi nhiệt độ bên ngoài này hoạt động ngay cả khi Intel FPGA bị tắt nguồn hoặc không được định cấu hình. Tuy nhiên, có một số điều bạn phải cân nhắc khi thiết kế giao diện giữa chip bên ngoài và các điốt cảm biến nhiệt độ từ xa (TSD) của Intel FPGA.
Khi bạn chọn chip cảm biến nhiệt độ, thông thường bạn sẽ xem xét độ chính xác của nhiệt độ mà bạn muốn đạt được. Tuy nhiên, với công nghệ xử lý mới nhất và thiết kế TSD từ xa khác, bạn cũng phải xem xét các tính năng tích hợp của chip cảm biến nhiệt độ để đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác trong thiết kế của mình.

Bằng cách hiểu hoạt động của hệ thống đo nhiệt độ từ xa Intel FPGA, bạn có thể:

Khám phá các vấn đề phổ biến với các ứng dụng cảm biến nhiệt độ.
Chọn chip cảm biến nhiệt độ phù hợp nhất đáp ứng nhu cầu ứng dụng, chi phí và thời gian thiết kế của bạn.

Intel thực sự khuyên bạn nên đo nhiệt độ khi chết bằng cách sử dụng TSD cục bộ mà Intel đã xác nhận. Intel không thể xác thực độ chính xác của cảm biến nhiệt độ bên ngoài trong các điều kiện hệ thống khác nhau. Nếu bạn muốn sử dụng TSD từ xa với các cảm biến nhiệt độ bên ngoài, hãy làm theo hướng dẫn trong tài liệu này và xác nhận tính chính xác của thiết lập đo nhiệt độ của bạn.

Lưu ý ứng dụng này áp dụng cho việc triển khai TSD từ xa cho dòng thiết bị FPGA Intel Stratix® 10.

Triển khai Kết thúcview

Chip cảm biến nhiệt độ bên ngoài kết nối với TSD từ xa FPGA của Intel. TSD từ xa là một bóng bán dẫn được kết nối với đi-ốt PNP hoặc NPN.

Hình 1. Kết nối giữa Chip cảm biến nhiệt độ và Intel FPGA Remote TSD (Điốt NPN)

Hình 2. Kết nối giữa Chip cảm biến nhiệt độ và Intel FPGA Remote TSD (Điốt PNP)

Phương trình sau đây hình thành nhiệt độ của một bóng bán dẫn liên quan đến vol bộ phát cơ sởtage (VBE).

Phương trình 1. Mối quan hệ giữa nhiệt độ của Transistor với Base-Emitter Voltagđiện tử (VBE)Ở đâu:
- T—Nhiệt độ tính bằng Kelvin
- q—điện tích electron (1.60 × 10−19 C)
- VBE—cơ sở-emitter voltage
- k—Hằng số Boltzmann (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC—dòng điện thu
- IS—dòng bão hòa ngược
- η—hệ số lý tưởng của diode từ xa
  Sắp xếp lại phương trình 1, bạn nhận được phương trình sau.

Phương trình 2. VBE
Thông thường, chip cảm biến nhiệt độ buộc hai dòng điện được kiểm soát tốt liên tiếp, I1 và I2 trên chân P và N. Sau đó, con chip sẽ đo và tính trung bình sự thay đổi của VBE của diode. Đồng bằng trong VBE tỷ lệ thuận với nhiệt độ, như thể hiện trong Phương trình 3.
Phương trình 3. Delta trong VBEỞ đâu:
- n—tỷ lệ dòng cưỡng bức
- VBE1—bộ phát cơ sở voltage ở I1
- VBE2—bộ phát cơ sở voltage ở I2

Xem xét thực hiện

Chọn chip cảm biến nhiệt độ với các tính năng phù hợp cho phép bạn tối ưu hóa chip để đạt được độ chính xác của phép đo. Xem xét các chủ đề trong thông tin liên quan khi bạn chọn chip.

Thông tin liên quan

Yếu tố lý tưởng (η-Factor) không phù hợp
Lỗi kháng sê-ri
Nhiệt độ Diode Beta Biến thể
Tụ điện đầu vào vi sai
Đền bù bù đắp

Yếu tố lý tưởng (η-Factor) không phù hợp

Khi bạn thực hiện phép đo nhiệt độ mối nối bằng cách sử dụng đi-ốt nhiệt độ bên ngoài, độ chính xác của phép đo nhiệt độ phụ thuộc vào đặc tính của đi-ốt bên ngoài. Hệ số lý tưởng là một tham số của một diode từ xa đo độ lệch của diode so với trạng thái lý tưởng của nó.
Bạn thường có thể tìm thấy hệ số lý tưởng trong bảng dữ liệu từ nhà sản xuất đi-ốt. Các điốt nhiệt độ bên ngoài khác nhau cung cấp cho bạn các giá trị khác nhau do công nghệ xử lý và thiết kế khác nhau mà chúng sử dụng.
Sự không phù hợp lý tưởng có thể gây ra lỗi đo nhiệt độ đáng kể. Để tránh lỗi nghiêm trọng, Intel khuyên bạn nên chọn chip cảm biến nhiệt độ có hệ số lý tưởng có thể định cấu hình. Bạn có thể thay đổi giá trị hệ số lý tưởng trong chip để loại bỏ lỗi không khớp.

Examplần thứ 1. Yếu tố lý tưởng góp phần vào sai số đo nhiệt độ

Cái này cũample cho biết yếu tố lý tưởng góp phần vào sai số đo nhiệt độ như thế nào. trong example, phép tính cho thấy sự không phù hợp lý tưởng gây ra lỗi đo nhiệt độ đáng kể.

Phương trình 4. Yếu tố lý tưởng Mối quan hệ với nhiệt độ đo được

Ở đâu:

ηTSC—hệ số lý tưởng của chip cảm biến nhiệt độ
TTSC—nhiệt độ được đọc bởi chip cảm biến nhiệt độ
ηRTD—hệ số lý tưởng của diode nhiệt độ từ xa
TRTD—nhiệt độ tại diode nhiệt độ từ xa

Các bước sau đây ước tính phép đo nhiệt độ (TTSC) bằng chip cảm biến nhiệt độ, với các giá trị sau:

Hệ số lý tưởng của cảm biến nhiệt độ (ηTSC) là 1.005
Hệ số lý tưởng của diode nhiệt độ từ xa (ηRTD) là 1.03
Nhiệt độ thực tại diode nhiệt độ từ xa (TRTD) là 80°C

Chuyển đổi TRTD của 80°C thành Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
Áp dụng phương trình 4. Nhiệt độ được tính toán bởi chip cảm biến nhiệt độ là 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03

Chuyển đổi giá trị tính toán thành độ C: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C Sai số nhiệt độ (TE) do sự không phù hợp lý tưởng gây ra:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Lỗi kháng sê-ri

Điện trở nối tiếp trên chân P và N góp phần gây ra lỗi đo nhiệt độ.

Điện trở loạt có thể từ:

Nội trở của chân P và N của diode nhiệt độ.
Bảng theo dõi điện trở, ví dụ nhưample, một dấu vết bảng dài.

Dòng điện trở gây ra vol bổ sungtage giảm ở đường cảm biến nhiệt độ và dẫn đến lỗi đo, ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo nhiệt độ. Thông thường, tình trạng này xảy ra khi bạn thực hiện đo nhiệt độ bằng chip cảm biến nhiệt 2 dòng.

Hình 3. Điện trở sê-ri bên trong và trên bo mạchĐể giải thích lỗi nhiệt độ phát sinh khi điện trở sê-ri tăng, một số nhà sản xuất chip cảm biến nhiệt độ cung cấp dữ liệu cho lỗi nhiệt độ diode từ xa so với điện trở.
Tuy nhiên, bạn có thể loại bỏ lỗi kháng sê-ri. Một số chip cảm biến nhiệt độ có tính năng hủy điện trở tích hợp sẵn. Tính năng loại bỏ điện trở sê-ri có thể loại bỏ điện trở sê-ri từ phạm vi vài trăm Ω đến phạm vi vượt quá vài nghìn Ω.
Intel khuyên bạn nên xem xét tính năng loại bỏ điện trở sê-ri khi chọn chip cảm biến nhiệt độ. Tính năng này tự động loại bỏ lỗi nhiệt độ gây ra bởi điện trở của định tuyến đến bóng bán dẫn từ xa.

Nhiệt độ Diode Beta Biến thể

Khi các dạng hình học của công nghệ xử lý trở nên nhỏ hơn, giá trị Beta(β) của chất nền PNP hoặc NPN sẽ giảm.
Khi giá trị Beta của đi-ốt nhiệt độ thấp hơn, đặc biệt nếu bộ thu đi-ốt nhiệt độ được nối đất, giá trị Beta sẽ ảnh hưởng đến tỷ lệ dòng điện trong Phương trình 3 trên trang 5. Do đó, việc duy trì tỷ lệ dòng điện chính xác là rất quan trọng.
Một số chip cảm biến nhiệt độ có tích hợp tính năng bù Beta. Biến thể Beta của mạch cảm nhận dòng cơ sở và điều chỉnh dòng phát để bù cho biến thể. Phần bù Beta duy trì tỷ lệ hiện tại của bộ thu.

Hình 4. Điốt đo nhiệt độ vải lõi Intel Stratix 10 với tính năng bù MAX31730 Beta của Maxim Integrated*
Hình này cho thấy độ chính xác của phép đo đạt được khi bật bù Beta. Các phép đo được thực hiện trong điều kiện tắt nguồn FPGA—nhiệt độ cài đặt và nhiệt độ đo được dự kiến sẽ gần nhau.

	0˚C	50˚C	100˚C
Tắt Đền bù Beta	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Bồi thường Beta Bật	-0.6875˚C	49.4375˚C	101.875˚C

Tụ điện đầu vào vi sai

Tụ điện (CF) trên chân P và N hoạt động như một bộ lọc thông thấp giúp lọc nhiễu tần số cao và cải thiện nhiễu điện từ (EMI).
Bạn phải cẩn thận trong quá trình lựa chọn tụ điện vì điện dung lớn có thể ảnh hưởng đến thời gian tăng của nguồn dòng chuyển đổi và gây ra lỗi đo lường lớn. Thông thường, nhà sản xuất chip cảm biến nhiệt độ cung cấp giá trị điện dung được khuyến nghị trong bảng dữ liệu của họ. Tham khảo khuyến nghị hoặc hướng dẫn thiết kế của nhà sản xuất tụ điện trước khi bạn quyết định giá trị điện dung.

Hình 5. Điện dung đầu vào vi sai

Đền bù bù đắp

Nhiều yếu tố có thể đồng thời góp phần gây ra lỗi đo lường. Đôi khi, việc áp dụng một phương pháp bồi thường duy nhất có thể không giải quyết được hoàn toàn vấn đề. Một phương pháp khác để giải quyết sai số đo lường là áp dụng phép đo bù trừ.

Ghi chú: Intel khuyên bạn nên sử dụng chip cảm biến nhiệt độ có khả năng bù trừ tích hợp sẵn. Nếu chip cảm biến nhiệt độ không hỗ trợ tính năng này, bạn có thể áp dụng bù trừ trong quá trình xử lý hậu kỳ thông qua logic hoặc phần mềm tùy chỉnh.
Bù bù thay đổi giá trị thanh ghi bù từ chip cảm biến nhiệt độ để loại bỏ lỗi tính toán. Để sử dụng tính năng này, bạn phải thực hiện điều chỉnh nhiệt độfile nghiên cứu, xác định giá trị bù trừ để áp dụng.

Bạn phải thu thập các phép đo nhiệt độ trong phạm vi nhiệt độ mong muốn với cài đặt mặc định của chip cảm biến nhiệt độ. Sau đó, thực hiện phân tích dữ liệu như trong ví dụ sauample để xác định giá trị offset sẽ áp dụng. Intel khuyên bạn nên thử nghiệm một số chip cảm biến nhiệt độ với một số đi-ốt nhiệt độ từ xa để đảm bảo rằng bạn bao gồm các biến thể từ bộ phận này sang bộ phận khác. Sau đó, sử dụng giá trị trung bình của phép đo trong phân tích để xác định cài đặt sẽ áp dụng.
Bạn có thể chọn các điểm nhiệt độ để kiểm tra dựa trên điều kiện hoạt động của hệ thống.

Phương trình 5. Hệ số bù đắp

Examptừ 2. Áp dụng bồi thường bù đắpTrong ví dụ nàyample, một tập hợp các phép đo nhiệt độ đã được thu thập với ba điểm nhiệt độ. Áp dụng Công thức 5 cho các giá trị và tính hệ số bù đắp.

Bảng 1. Dữ liệu được thu thập trước khi áp dụng bồi thường bù đắp

Cài đặt nhiệt độ		Nhiệt độ đo được
100°C	373.15K	111.06°C	384.21K
50°C	323.15K	61.38°C	334.53K
0°C	273.15K	11.31°C	284.46K

Sử dụng điểm giữa của phạm vi nhiệt độ để tính nhiệt độ bù. Trong ex nàyample, điểm giữa là nhiệt độ cài đặt 50°C.
Nhiệt độ bù đắp

= Hệ số bù × ( Nhiệt độ đo−Nhiệt độ cài đặt )
= 0.9975 × (334.53 − 323.15)
= 11.35

Áp dụng giá trị nhiệt độ bù và các hệ số bù khác, nếu cần, vào chip cảm biến nhiệt độ và thực hiện lại phép đo.

Bảng 2. Dữ liệu được thu thập sau khi áp dụng bù trừ

Cài đặt nhiệt độ	Nhiệt độ đo được	Lỗi
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Thông tin liên quan
Kết quả đánh giá
cung cấp lạiview về kết quả đánh giá của phương pháp bù trừ với chip cảm biến nhiệt độ Maxim Integrated* và Texas Instruments*.

Kết quả đánh giá

Trong quá trình đánh giá, bộ đánh giá MAX31730 của Maxim Integrated* và TMP468 của Texas Instruments* đã được sửa đổi để giao tiếp với các đi-ốt nhiệt độ từ xa của một số khối trong FPGA Intel.

Bảng 3. Mô hình khối và bảng được đánh giá

Khối	Bảng đánh giá chip cảm biến nhiệt độ
Khối	TMP468 của Texas Instruments	Tích hợp tối đa d's MAX31730
Cấu trúc lõi Intel Stratix 10	Đúng	Đúng
H-ngói hoặc L-ngói	Đúng	Đúng
ngói điện tử	Đúng	Đúng
ngói P	Đúng	Đúng

Các số liệu sau đây cho thấy thiết lập của bo mạch Intel FPGA với các bảng đánh giá của Maxim Integrated và Texas Instruments.

Hình 6. Thiết lập với Bảng đánh giá MAX31730 của Maxim Integrate d

Hình 7. Thiết lập với Bảng đánh giá TMP468 của Texas Instruments

Máy ép nhiệt — hoặc cách khác, bạn có thể sử dụng buồng nhiệt độ — bao phủ và niêm phong FPGA và ép nhiệt độ theo điểm nhiệt độ đã đặt.
Trong quá trình thử nghiệm này, FPGA vẫn ở trong tình trạng không được cấp nguồn để tránh nó sinh nhiệt.
Thời gian ngâm cho mỗi điểm kiểm tra nhiệt độ là 30 phút.
Cài đặt trên bộ công cụ đánh giá sử dụng cài đặt mặc định từ nhà sản xuất.
Sau khi thiết lập, các bước trong phần Bù trừ trên trang 10 được thực hiện để thu thập và phân tích dữ liệu.

Đánh giá với Bảng đánh giá chip cảm biến nhiệt độ MAX31730 của Maxim Integrated

Việc đánh giá này được thực hiện với các bước thiết lập như được mô tả trong Bù trừ .
Dữ liệu được thu thập trước và sau khi áp dụng bù trừ. Nhiệt độ bù khác nhau được áp dụng cho các khối Intel FPGA khác nhau vì không thể áp dụng một giá trị bù duy nhất cho tất cả các khối. Các số liệu sau đây cho thấy kết quả.

Hình 8. Dữ liệu cho Intel Stratix 10 Core Fabric

Hình 9. Dữ liệu cho Intel FPGA H-Tile và L-Tile

Hình 10. Dữ liệu cho Intel FPGA E-Tile

Hình 11. Dữ liệu cho Intel FPGA P-Tile

Đánh giá với Bảng đánh giá chip cảm biến nhiệt độ TMP468 của Texas Instruments

Hình 12. Dữ liệu cho Intel Stratix 10 Core Fabric

Hình 13. Dữ liệu cho Intel FPGA H-Tile và L-Tile

Hình 14. Dữ liệu cho Intel FPGA E-Tile

Hình 15. Dữ liệu cho Intel FPGA P-Tile

Phần kết luận

Có nhiều nhà sản xuất chip cảm biến nhiệt độ khác nhau. Trong quá trình lựa chọn thành phần, Intel thực sự khuyên bạn nên chọn chip cảm biến nhiệt độ với những cân nhắc sau.

Chọn chip có tính năng hệ số lý tưởng có thể định cấu hình.
Chọn một con chip có loại bỏ điện trở nối tiếp.
Chọn chip hỗ trợ bù Beta.
Chọn tụ điện phù hợp với khuyến nghị của nhà sản xuất chip.
Áp dụng bất kỳ phần bù thích hợp nào sau khi thực hiện điều chỉnh nhiệt độfile học.

Dựa trên kết quả xem xét và đánh giá việc triển khai, bạn phải tối ưu hóa chip cảm biến nhiệt độ trong thiết kế của mình để đạt được độ chính xác của phép đo.

Lịch sử sửa đổi tài liệu cho AN 769: Hướng dẫn triển khai đi-ốt cảm biến nhiệt độ từ xa Intel FPGA

Phiên bản tài liệu	Thay đổi
2022.04.06	Đã sửa lỗi tính toán nhiệt độ của chip cảm biến nhiệt độ trong chủ đề về sự không phù hợp của hệ số lý tưởng. Đã sửa lỗi tính toán nhiệt độ bù trừ cũample trong topic về bù đắp.
2021.02.09	Phiên bản phát hành đầu tiên.

Tập đoàn Intel. Đã đăng ký Bản quyền. Intel, logo Intel và các nhãn hiệu khác của Intel là thương hiệu của Tập đoàn Intel hoặc các công ty con của Tập đoàn. Intel đảm bảo hiệu suất của các sản phẩm FPGA và chất bán dẫn của mình theo các thông số kỹ thuật hiện hành theo bảo hành tiêu chuẩn của Intel, nhưng bảo lưu quyền thay đổi bất kỳ sản phẩm và dịch vụ nào vào bất kỳ lúc nào mà không cần thông báo. Intel không chịu trách nhiệm hoặc trách nhiệm pháp lý phát sinh từ ứng dụng hoặc việc sử dụng bất kỳ thông tin, sản phẩm hoặc dịch vụ nào được mô tả ở đây trừ khi được Intel đồng ý rõ ràng bằng văn bản. Khách hàng của Intel nên lấy phiên bản mới nhất của thông số kỹ thuật thiết bị trước khi dựa vào bất kỳ thông tin được công bố nào và trước khi đặt hàng sản phẩm hoặc dịch vụ.
*Các tên và thương hiệu khác có thể được coi là tài sản của người khác.

Tiêu chuẩn ISO
9001:2015
Đăng ký

Tài liệu / Tài nguyên

intel AN 769 FPGA Đi-ốt cảm biến nhiệt độ từ xa [tập tin pdf] Hướng dẫn sử dụng
AN 769 FPGA Đi-ốt cảm biến nhiệt độ từ xa, AN 769, Đi-ốt cảm biến nhiệt độ từ xa FPGA, Đi-ốt cảm biến nhiệt độ từ xa, Đi-ốt cảm biến nhiệt độ, Đi-ốt cảm biến

Tài liệu tham khảo

Hướng dẫn sử dụng

intel AN 769 FPGA Đi-ốt cảm biến nhiệt độ từ xa

Giới thiệu