intel AN 769 FPGA 远程温度传感二极管
介绍
在现代电子应用中，尤其是需要严格温度控制的应用中，片上温度测量至关重要。
高性能系统依赖于室内和室外环境的准确温度测量。
- 优化性能
- 确保可靠运行
- 防止损坏组件
英特尔® FPGA 温度监控系统允许您使用第三方芯片来监控结温 (TJ)。 这个外部温度监控系统即使在英特尔 FPGA 断电或未配置时也能正常工作。 但是，在设计外部芯片与英特尔 FPGA 远程温度感测二极管 (TSD) 之间的接口时，您必须考虑几件事情。
选择温度传感芯片时，通常会考虑要达到的温度精度。 然而，随着最新的工艺技术和不同的远程 TSD 设计，您还必须考虑温度传感芯片的内置功能以满足您的设计精度要求。
通过了解英特尔 FPGA 远程温度测量系统的工作原理，您可以：
- 发现温度传感应用的常见问题。
- 选择最适合您的应用需求、成本和设计时间的温度传感芯片。
英特尔强烈建议您使用英特尔已经验证的本地 TSD 测量片上温度。 英特尔无法验证各种系统条件下外部温度传感器的准确性。 如果您想将远程 TSD 与外部温度传感器一起使用，请遵循本文档中的指南并验证您的温度测量设置的准确性。
本应用笔记适用于英特尔 Stratix® 10 FPGA 设备系列的远程 TSD 实施。
实施结束view
外部温度传感芯片连接到英特尔 FPGA 远程 TSD。 远程 TSD 是 PNP 或 NPN 二极管连接的晶体管。
- 图 1. 温度传感芯片与Intel FPGA Remote TSD（NPN二极管）的连接
- 图 2. 温度传感芯片与Intel FPGA Remote TSD（PNP二极管）的连接
以下等式形成晶体管的温度与基极 - 发射极电压的关系tage（VBE）。
- 等式 1. 晶体管温度与基射电压的关系tag电子（VBE）
在哪里：
- T——开尔文温度
- q——电子电荷 (1.60 × 10−19 C)
- VBE——基射极电压tage
- k—波尔兹曼常数 (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC——集电极电流
- IS——反向饱和电流
- η——远端二极管的理想因子
重新排列方程式 1，您将得到以下方程式。
- 等式 2.VBE
通常，温度传感芯片会在 P 和 N 引脚上强制施加两个连续的控制良好的电流 I1 和 I2。 然后芯片测量二极管 VBE 的变化并取平均值。 VBE 中的增量与温度成正比，如公式 3 所示。 - 等式 3. VBE 中的增量
在哪里：
- n——强制电流比
- VBE1—基射极电压tage 在 I1
- VBE2—基射极电压tage 在 I2
实施考虑
选择具有适当特性的温度传感芯片可以让您优化芯片以达到测量精度。 选择芯片时要考虑相关资料中的主题。
- 理想因子 (η-Factor) 失配
- 串联电阻误差
- 温度二极管 Beta 变化
- 差分输入电容
- 偏置补偿
理想因子 (η-Factor) 失配
当您使用外部温度二极管执行结温测量时，温度测量的精度取决于外部二极管的特性。 理想因子是远程二极管的一个参数，用于测量二极管与其理想行为的偏差。
您通常可以在二极管制造商的数据表中找到理想因子。 不同的外部温度二极管给你不同的值，因为它们使用不同的设计和工艺技术。
理想不匹配会导致显着的温度测量误差。 为避免重大错误，英特尔建议您选择具有可配置理想因子的温度传感芯片。 可以改变芯片中的理想因子值来消除失配误差。
- Examp乐 1. 理想因素对温度测量误差的贡献
这个前任ample 显示了理想因子如何影响温度测量误差。 在前ample，计算表明理想不匹配导致显着的温度测量误差。
- 等式 4. 理想因子与测量温度的关系
在哪里：
- ηTSC——温度传感芯片的理想因子
- TTSC——感温芯片读取的温度
- ηRTD——远端温度二极管的理想因子
- TRTD——远程温度二极管的温度
以下步骤通过温度传感芯片估计温度测量（TTSC），给定以下值：
- 温度传感器的理想因子 (ηTSC) 为 1.005
- 远程温度二极管 (ηRTD) 的理想因子为 1.03
- 远程温度二极管 (TRTD) 的实际温度为 80°C
- 将 80°C 的 TRTD 转换为开尔文：80 + 273.15 = 353.15 K。
- 应用公式4，温度传感芯片计算出的温度为1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03
- 将计算值转换为摄氏度： TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C 理想不匹配引起的温度误差（TE）：
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C
串联电阻误差
P 和 N 引脚上的串联电阻会导致温度测量误差。
串联电阻可以来自：
- 测温二极管P、N脚的内阻。
- 电路板走线电阻，例如ample，长板痕迹。
串联电阻会导致额外的体积tage 落在感温路径上，造成测量误差，影响温度测量的准确性。 通常，当您使用 2 电流温度传感芯片进行温度测量时，会出现这种情况。
图 3. 内部和板载串联电阻
为了解释串联电阻增加时产生的温度误差，一些温度传感芯片制造商提供了远端二极管温度误差与电阻的数据。
但是，您可以消除串联电阻误差。 一些温度传感芯片具有内置的串联电阻抵消功能。 串联电阻消除功能可以消除从几百Ω到超过几千Ω范围内的串联电阻。
Intel建议您在选择感温芯片时考虑串联电阻抵消特性。 该功能可自动消除由到远程晶体管的路由电阻引起的温度误差。
温度二极管 Beta 变化
随着工艺技术几何尺寸变小，PNP 或 NPN 基板的 Beta(β) 值会降低。
随着温度二极管 Beta 值变低，尤其是当温度二极管集电极接地时，Beta 值会影响第 3 页公式 5 中的电流比。因此，保持准确的电流比至关重要。
一些温度传感芯片具有内置的 Beta 补偿功能。 电路的 Beta 变化检测基极电流并调整发射极电流以补偿变化。 Beta 补偿维持集电极电流比。
图 4. 启用 Maxim Integrated* 的 MAX10 Beta 补偿的英特尔 Stratix 31730 内核架构温度二极管
此图显示测量精度是在启用 Beta 补偿的情况下实现的。 测量是在 FPGA 断电条件下进行的——预计设定温度和测量温度接近。
| 0˚C | 50˚C | 100˚C | |
| Beta 补偿关闭 | 25.0625˚C | 70.1875˚C | 116.5625˚C |
| Beta 补偿开启 | -0.6875℃ | 49.4375˚C | 101.875˚C |
差分输入电容
P 和 N 引脚上的电容器 (CF) 就像一个低通滤波器，有助于滤除高频噪声并改善电磁干扰 (EMI)。
在选择电容器时必须小心，因为大电容会影响开关电流源的上升时间并引入巨大的测量误差。 通常，温度传感芯片制造商会在其数据表中提供推荐的电容值。 在决定电容值之前，请参考电容器制造商的设计指南或建议。
图 5. 差分输入电容
偏置补偿
多种因素会同时导致测量误差。 有时，采用单一的补偿方法可能无法完全解决问题。 解决测量误差的另一种方法是应用偏移补偿。
笔记： Intel 建议您使用内置偏移补偿的温度感应芯片。 如果温度传感芯片不支持该功能，您可以通过自定义逻辑或软件在后处理过程中应用偏移补偿。
失调补偿是通过改变温度传感芯片的失调寄存器值来消除计算误差。 要使用此功能，您必须执行 temperature profile 研究并确定要应用的偏移值。
您必须使用温度传感芯片的默认设置收集所需温度范围内的温度测量值。 之后，按照以下示例进行数据分析ample 来确定要应用的偏移值。 英特尔建议您使用多个远程温度二极管测试多个温度传感芯片，以确保您涵盖部件与部件之间的差异。 然后，使用分析中的测量平均值来确定要应用的设置。
您可以根据系统运行情况选择要测试的温度点。
等式 5. 偏移因子
Examp乐2. 偏移补偿的应用在这个例子中ample，收集了一组具有三个温度点的温度测量值。 将公式 5 应用于值并计算偏移因子。
表 1. 应用偏移补偿之前收集的数据
| 设定温度 | 测量温度 | ||
| 100°C | 373.15千 | 111.06°C | 384.21千 |
| 50°C | 323.15千 | 61.38°C | 334.53千 |
| 0°C | 273.15千 | 11.31°C | 284.46千 |
使用温度范围的中间点来计算偏移温度。 在这个前ample，中间点为50°C设定温度。
偏移温度
- = 偏移系数 × ( 测量温度 − 设定温度 )
- = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
- = 11.35
如果需要，将偏移温度值和其他补偿因素应用到温度传感芯片并重新进行测量。
表 2. 应用偏移补偿后收集的数据
| 设定温度 | 测量温度 | 错误 |
| 100°C | 101.06°C | 1.06°C |
| 50°C | 50.13°C | 0.13°C |
| 0°C | 0.25°C | 0.25°C |
相关信息
评估结果
提供重新view Maxim Integrated* 和 Texas Instruments* 温度传感芯片的偏移补偿方法的评估结果。
评估结果
在评估中，修改了 Maxim Integrated* 的 MAX31730 和 Texas Instruments* 的 TMP468 评估套件，以连接英特尔 FPGA 中多个模块的远程温度二极管。
表 3. 评估模块和电路板模型
| 堵塞 | 温度传感芯片评估板 | |
| 德州仪器的 TMP468 | Maxim Integrate d 的 MAX31730 | |
| 英特尔 Stratix 10 核心架构 | 是的 | 是的 |
| H 瓦或 L 瓦 | 是的 | 是的 |
| 电子瓦片 | 是的 | 是的 |
| P瓦 | 是的 | 是的 |
下图显示了 Intel FPGA 板与 Maxim Integrated 和 Texas Instruments 评估板的设置。
图 6. 使用 Maxim Integrate d 的 MAX31730 评估板进行设置
图 7. 使用 Texas Instruments 的 TMP468 评估板进行设置
- 热力器（或者您可以使用温度室）覆盖并密封 FPGA，并根据设定的温度点强制温度。
- 在此测试期间，FPGA 保持未通电状态以避免其产生热量。
- 每个温度测试点的浸泡时间为 30 分钟。
- 评估套件上的设置使用制造商的默认设置。
- 设置完成后，按照第 10 页偏移补偿中的步骤进行数据收集和分析。
使用 Maxim Integrated 的 MAX31730 温度传感芯片评估板进行评估
该评估是按照偏移补偿中所述的设置步骤进行的。
在应用偏移补偿之前和之后收集数据。 不同的偏移温度应用于不同的 Intel FPGA 模块，因为单个偏移值不能应用于所有模块。 下图显示了结果。
图 8. Intel Stratix 10 Core Fabric 的数据
图 9. 英特尔 FPGA H-Tile 和 L-Tile 的数据
图 10. 英特尔 FPGA E-Tile 的数据
图 11. 英特尔 FPGA P-Tile 的数据
使用 Texas Instruments 的 TMP468 温度传感芯片评估板进行评估
该评估是按照偏移补偿中所述的设置步骤进行的。
在应用偏移补偿之前和之后收集数据。 不同的偏移温度应用于不同的 Intel FPGA 模块，因为单个偏移值不能应用于所有模块。 下图显示了结果。
图 12. Intel Stratix 10 Core Fabric 的数据
图 13. 英特尔 FPGA H-Tile 和 L-Tile 的数据
图 14. 英特尔 FPGA E-Tile 的数据
图 15. 英特尔 FPGA P-Tile 的数据
结论
有许多不同的温度传感芯片制造商。 在组件选择过程中，Intel 强烈建议您根据以下考虑因素选择温度传感芯片。
- 选择具有可配置理想因子功能的芯片。
- 选择具有串联电阻抵消功能的芯片。
- 选择支持 Beta 补偿的芯片。
- 选择符合芯片制造商建议的电容器。
- 执行温度亲后应用任何适当的补偿file 学习。
根据实施考虑和评估结果，您必须优化设计中的温度传感芯片以实现测量精度。
AN 769 的文档修订历史：英特尔 FPGA 远程温度感应二极管实施指南
| 文档版本 | 更改 |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | 初始版本。 |
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