intel AN 769 FPGA 遠程溫度感測二極體
介紹
在現代電子應用中，尤其是需要嚴格溫度控制的應用中，片上溫度測量至關重要。
高性能係統依賴室內和室外環境的精確溫度測量。
- 優化效能
- 確保可靠運行
- 防止損壞零件
英特爾® FPGA 溫度監控系統可讓您使用第三方晶片來監控結溫 (TJ)。即使英特爾 FPGA 斷電或未配置，此外部溫度監控系統也能正常運作。但是，在設計外部晶片和 Intel FPGA 遠端溫度感測二極體 (TSD) 之間的介面時，必須考慮以下幾點。
當您選擇溫度感測晶片時，您通常會考慮想要達到的溫度精度。然而，採用最新的製程技術和不同的遠端 TSD 設計，您還必須考慮溫度感測晶片的內建功能以滿足您的設計精度要求。
透過了解英特爾 FPGA 遠端溫度測量系統的工作原理，您可以：
- 發現溫度感測應用的常見問題。
- 選擇最適合您的應用需求、成本和設計時間的溫度感測晶片。
英特爾強烈建議您使用本地 TSD 測量片上溫度，英特爾已經對此進行了驗證。英特爾無法驗證外部溫度感測器在各種系統條件下的準確性。如果您想要將遠端 TSD 與外部溫度感測器結合使用，請遵循本文檔中的指南並驗證溫度測量設定的準確性。
本應用筆記適用於英特爾 Stratix® 10 FPGA 裝置系列的遠端 TSD 實作。
實施結束view
外部溫度感測晶片連接至 Intel FPGA 遠端 TSD。遠端 TSD 是由 PNP 或 NPN 二極體連接的電晶體。
- 圖 1. 溫度感測晶片與 Intel FPGA Remote TSD（NPN 二極體）之間的連接
- 圖 2. 溫度感測晶片與 Intel FPGA Remote TSD（PNP 二極體）的連接
下面的方程式形成了電晶體的溫度與基極-射極電壓的關係tage（VBE）。
- 等式 1。 電晶體溫度與基極-射極電壓之間的關係tag電子（VBE）
在哪裡：
- T——開爾文溫度
- q——電子電荷 (1.60 × 10−19 C)
- VBE—基極-射極體積tage
- k—玻爾茲曼常數 (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC——集極電流
- IS——反向飽和電流
- η－遠端二極體的理想因子
重新整理方程式 1，可得到下列方程式。
- 公式 2.VBE
通常，溫度感測晶片會在 P 和 N 引腳上強制施加兩個連續的良好控制電流 I1 和 I2。然後晶片測量並平均二極體 VBE 的變化。 VBE 中的增量與溫度成正比，如公式 3 所示。 - 公式 3. VBE 中的 Delta
在哪裡：
- n——強制電流比
- VBE1—基極-射極體積tage 於 I1
- VBE2—基極-射極體積tage 於 I2
實施考慮
選擇具有適當功能的溫度感測晶片可讓您優化晶片以實現測量精度。選擇晶片時請考慮相關資訊中的主題。
- 理想因子（η 因子）不匹配
- 串聯電阻誤差
- 溫度二極體 Beta 變化
- 差分輸入電容
- 偏移補償
理想因子（η 因子）不匹配
使用外部溫度二極體進行結溫測量時，溫度測量的精度取決於外部二極體的特性。理想因子是遠程二極體的參數，用於測量二極體與其理想行為的偏差。
您通常可以在二極體製造商的資料表中找到理想因子。不同的外部溫度二極體由於使用不同的設計和製程技術而提供不同的值。
理想不匹配可能會導致嚴重的溫度測量誤差。為了避免重大錯誤，英特爾建議您選擇具有可配置理想因子的溫度感測晶片。您可以變更晶片中的理想因子值來消除失配誤差。
- Examp樂1。理想因素對溫度測量誤差的影響
這個前任ample 顯示了理想因子如何影響溫度測量誤差。在前ample，計算顯示理想不匹配導致顯著的溫度測量誤差。
- 等式 4。 理想因子與測量溫度的關係
在哪裡：
- ηTSC－溫度感測晶片的理想因子
- TTSC－溫度感測晶片讀取的溫度
- ηRTD—遠端溫度二極體的理想因子
- TRTD—遠程溫度二極體處的溫度
以下步驟透過溫度感測晶片估算溫度測量值 (TTSC)，給定以下值：
- 溫度感測器的理想因子 (ηTSC) 為 1.005
- 遠程溫度二極體的理想因子 (ηRTD) 為 1.03
- 遠程溫度二極體 (TRTD) 的實際溫度為 80°C
- 將 80°C 的 TRTD 轉換為開爾文：80 + 273.15 = 353.15 K。
- 應用公式 4。
- 將計算值轉換為攝氏度： TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C 理想失配所造成的溫度誤差 (TE)：
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C
串聯電阻誤差
P 和 N 引腳上的串聯電阻會導致溫度測量誤差。
串聯電阻可以來自：
- 溫度二極體P、N接腳的內阻。
- 板走線電阻，例如ample，長板跡。
串聯電阻會導致額外的電壓tage在溫度感測路徑上下降並導致測量誤差，影響溫度測量的準確性。通常，這種情況發生在使用2電流溫度感測晶片進行溫度測量時。
圖 3. 內部和板載串聯電阻
為了解釋串聯電阻增加時產生的溫度誤差，一些溫度感測晶片製造商提供了遠端二極體溫度誤差與電阻的關係數據。
但是，您可以消除串聯電阻誤差。有些溫度感測晶片具有內建串聯電阻消除功能。串聯電阻消除功能可以將串聯電阻從幾百Ω範圍消除到超過幾千Ω範圍。
英特爾建議您在選擇溫度感測晶片時考慮串聯電阻消除功能。此功能自動消除由遠端電晶體的佈線電阻引起的溫度誤差。
溫度二極體 Beta 變化
隨著製程技術幾何尺寸變小，PNP 或 NPN 基板的 Beta(β) 值會降低。
隨著溫度二極體 Beta 值變低，特別是當溫度二極體集極接地時，Beta 值會影響第 3 頁公式 5 中的電流比。
一些溫度感測晶片內建 Beta 補償功能。電路的 Beta 變化感測基極電流並調整射極電流以補償變化。 Beta 補償可維持集電極電流比。
圖 4. 啟用 Maxim Integrated* 的 MAX10 Beta 補償的英特爾 Stratix 31730 核心結構溫度二極體
此圖顯示在啟用 Beta 補償的情況下實現了測量精度。測量是在 FPGA 斷電條件下進行的——設定溫度和測量溫度預計接近。
| 0℃ | 50℃ | 100℃ | |
| Beta 補償關閉 | 25.0625℃ | 70.1875℃ | 116.5625℃ |
| Beta 補償開啟 | -0.6875℃ | 49.4375℃ | 101.875℃ |
差分輸入電容
P 和 N 接腳上的電容器 (CF) 起到低通濾波器的作用，有助於濾除高頻雜訊並改善電磁幹擾 (EMI)。
選擇電容器時必須小心，因為大電容會影響開關電流源的上升時間並引入巨大的測量誤差。通常，溫度感測晶片製造商會在其資料表中提供建議的電容值。在決定電容值之前，請參閱電容器製造商的設計指南或建議。
圖 5. 差分輸入電容
偏移補償
多種因素可能同時導致測量誤差。有時，應用單一的補償方法可能無法完全解決問題。解決測量誤差的另一種方法是應用偏移補償。
筆記： 英特爾建議您使用具有內建偏移補償的溫度感測晶片。如果溫度感測晶片不支援該功能，您可以在後處理過程中透過自訂邏輯或軟體應用偏移補償。
偏移補償改變溫度感測晶片的偏移暫存器值，以消除計算誤差。要使用此功能，您必須執行溫度專業file 研究並確定要應用的偏移值。
您必須使用溫度感測晶片的預設設定在所需的溫度範圍內收集溫度測量值。然後，執行數據分析，如下例所示ample 來決定要套用的偏移值。英特爾建議您使用多個遠端溫度二極體測試多個溫度感測晶片，以確保涵蓋零件之間的差異。然後，在分析中使用測量平均值來確定要套用的設定。
您可以根據系統運作情況選擇要測試的溫度點。
公式 5. 偏移因子
Examp樂2。 偏移補償的應用在本例中amp例如，收集了三個溫度點的一組溫度測量。將公式 5 應用到這些值並計算偏移因子。
表 1. 應用偏移補償之前收集的數據
| 設定溫度 | 測量溫度 | ||
| 100℃ | 373.15K | 111.06℃ | 384.21K |
| 50℃ | 323.15K | 61.38℃ | 334.53K |
| 0℃ | 273.15K | 11.31℃ | 284.46K |
使用溫度範圍的中點來計算偏移溫度。在這個前ample，中間點為50℃設定溫度。
偏移溫度
- = 偏移係數 × ( 測量溫度 − 設定溫度 )
- = 0.9975 × (334.53 − 323.15)
- = 11.35
如果需要，將偏移溫度值和其他補償因子應用到溫度感測晶片中並重新進行測量。
表 2. 應用偏移補償後收集的數據
| 設定溫度 | 測量溫度 | 錯誤 |
| 100℃ | 101.06℃ | 1.06℃ |
| 50℃ | 50.13℃ | 0.13℃ |
| 0℃ | 0.25℃ | 0.25℃ |
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表 3. 評估模組和電路板模型
| 堵塞 | 溫度感測晶片評估板 | |
| 德州儀器 (TI) 的 TMP468 | Maxim Integrate d 的 MAX31730 | |
| Intel Stratix 10 核心架構 | 是的 | 是的 |
| H 型磁磚或 L 型磁磚 | 是的 | 是的 |
| 電子磁磚 | 是的 | 是的 |
| P-磁磚 | 是的 | 是的 |
下圖顯示了 Intel FPGA 板與 Maxim Integrated 和 Texas Instruments 評估板的設定。
圖 6. 使用 Maxim Integrate d 的 MAX31730 評估板進行設置
圖 7. 使用 Texas Instruments 的 TMP468 評估板進行設置
- 熱力產生器（或者您也可以使用溫度室）覆蓋並密封 FPGA，並強制溫度達到設定的溫度點。
- 測試過程中，FPGA維持斷電狀態，避免發熱。
- 每個溫度測試點的浸泡時間為30分鐘。
- 評估套件上的設定使用製造商的預設設定。
- 設定完成後，請按照第 10 頁偏移補償中的步驟進行資料收集和分析。
使用 Maxim Integrated 的 MAX31730 溫度感測晶片評估板進行評估
此評估是按照偏移補償中所述的設定步驟進行的。
在應用偏移補償之前和之後收集資料。由於單一偏移值無法應用於所有區塊，因此對不同的 Intel FPGA 模組應用了不同的偏移溫度。下圖顯示了結果。
圖 8. Intel Stratix 10 核心結構的數據
圖 9. Intel FPGA H-Tile 和 L-Tile 的數據
圖 10. 英特爾 FPGA E-Tile 的數據
圖 11. 英特爾 FPGA P-Tile 的數據
使用 Texas Instruments 的 TMP468 溫度感測晶片評估板進行評估
此評估是按照偏移補償中所述的設定步驟進行的。
在應用偏移補償之前和之後收集資料。由於單一偏移值無法應用於所有區塊，因此對不同的 Intel FPGA 模組應用了不同的偏移溫度。下圖顯示了結果。
圖 12. Intel Stratix 10 核心結構的數據
圖 13. Intel FPGA H-Tile 和 L-Tile 的數據
圖 14. 英特爾 FPGA E-Tile 的數據
圖 15. 英特爾 FPGA P-Tile 的數據
結論
有許多不同的溫度感測晶片製造商。在組件選擇時，Intel強烈建議您在選擇溫度感測晶片時考慮以下因素。
- 選擇具有可配置理想因子功能的晶片。
- 選擇具有串聯電阻消除功能的晶片。
- 選擇支援Beta補償的晶片。
- 選擇符合晶片製造商建議的電容器。
- 執行溫度專業後應用任何適當的補償file 學習。
根據實施考慮和評估結果，您必須優化設計中的溫度感測晶片以實現測量精度。
AN 769 的文檔修訂歷史：英特爾 FPGA 遠端溫度感測二極體實施指南
| 檔案版本 | 變化 |
| 2022.04.06 |
|
| 2021.02.09 | 初次發布。 |
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