intel AN 769 FPGA Guida per l'utente del diodo di rilevamento remoto della temperatura

Nelle moderne applicazioni elettroniche, in particolare nelle applicazioni che richiedono un controllo critico della temperatura, la misurazione della temperatura su chip è fondamentale.

I sistemi ad alte prestazioni si basano su misurazioni accurate della temperatura per ambienti interni ed esterni.

Ottimizzare le prestazioni
Garantire un funzionamento affidabile
Prevenire danni ai componenti

Il sistema di monitoraggio della temperatura Intel® FPGA consente di utilizzare chip di terze parti per monitorare la temperatura di giunzione (TJ). Questo sistema di monitoraggio della temperatura esterna funziona anche quando l'FPGA Intel è spento o non configurato. Tuttavia, ci sono diversi aspetti da considerare quando si progetta l'interfaccia tra il chip esterno e i diodi di rilevamento della temperatura remoto (TSD) Intel FPGA.
Quando si seleziona un chip di rilevamento della temperatura, in genere si presta attenzione alla precisione della temperatura che si desidera ottenere. Tuttavia, con la tecnologia di processo più recente e un design TSD remoto diverso, è necessario considerare anche le funzionalità integrate del chip di rilevamento della temperatura per soddisfare i requisiti di precisione del progetto.

Comprendendo il funzionamento del sistema di misurazione remota della temperatura Intel FPGA, è possibile:

Scopri i problemi comuni con le applicazioni di rilevamento della temperatura.
Seleziona il chip di rilevamento della temperatura più appropriato che soddisfi le esigenze, i costi e i tempi di progettazione della tua applicazione.

Intel consiglia vivamente di misurare la temperatura sul die utilizzando TSD locali, convalidati da Intel. Intel non può convalidare la precisione dei sensori di temperatura esterni in varie condizioni di sistema. Se si desidera utilizzare i TSD remoti con sensori di temperatura esterni, seguire le linee guida contenute in questo documento e convalidare l'accuratezza della configurazione di misurazione della temperatura.

Questa nota applicativa si applica all'implementazione TSD remota per la famiglia di dispositivi Intel Stratix® 10 FPGA.

Implementazione terminataview

Il chip di rilevamento della temperatura esterna si collega al TSD remoto Intel FPGA. Il TSD remoto è un transistor PNP o NPN collegato a diodo.

Figura 1. Connessione tra il chip di rilevamento della temperatura e il TSD remoto Intel FPGA (diodo NPN)

Figura 2. Connessione tra chip di rilevamento della temperatura e Intel FPGA Remote TSD (diodo PNP)

La seguente equazione forma la temperatura di un transistor in relazione alla base-emettitore voltage(VBE).

Equazione 1. Rapporto tra la temperatura del transistor e il volume dell'emettitore basetage(VBE)Dove:
- T: temperatura in Kelvin
- q—la carica dell'elettrone (1.60 × 10−19 C)
- VBE: emettitore base voltage
- k—Costante di Boltzmann (1.38 × 10−23 J∙K−1)
- IC: la corrente del collettore
- IS: la corrente di saturazione inversa
- η—il fattore di idealità del diodo remoto
  Riorganizzando l'equazione 1, ottieni la seguente equazione.

Equazione 2. VBE
Tipicamente, il chip di rilevamento della temperatura forza due correnti consecutive ben controllate, I1 e I2, sui pin P e N. Il chip quindi misura e calcola la media della variazione del VBE del diodo. Il delta in VBE è direttamente proporzionale alla temperatura, come mostrato nell'equazione 3.
Equazione 3. Delta in VBEDove:
- n—rapporto di corrente forzata
- VBE1: emettitore base voltage a I1
- VBE2: emettitore base voltage a I2

Considerazioni sull'implementazione

La selezione del chip di rilevamento della temperatura con le caratteristiche appropriate consente di ottimizzare il chip per ottenere la precisione della misurazione. Considera gli argomenti nelle informazioni correlate quando selezioni il chip.

Informazioni correlate

Disadattamento del fattore di idealità (fattore η).
Errore di resistenza in serie
Variazione Beta del diodo di temperatura
Condensatore di ingresso differenziale
Compensazione di compensazione

Disadattamento del fattore di idealità (fattore η).

Quando si esegue la misurazione della temperatura di giunzione utilizzando un diodo di temperatura esterno, la precisione della misurazione della temperatura dipende dalle caratteristiche del diodo esterno. Il fattore di idealità è un parametro di un diodo remoto che misura la deviazione del diodo dal suo comportamento ideale.
Di solito è possibile trovare il fattore di idealità nella scheda tecnica del produttore del diodo. Diversi diodi di temperatura esterna forniscono valori diversi a causa delle diverse tecnologie di progettazione e processo che utilizzano.
La mancata corrispondenza dell'ideale può causare un errore significativo nella misurazione della temperatura. Per evitare errori significativi, Intel consiglia di selezionare un chip di rilevamento della temperatura dotato di un fattore di idealità configurabile. È possibile modificare il valore del fattore di idealità nel chip per eliminare l'errore di mancata corrispondenza.

Exampil 1. Contributo del fattore di idealità all'errore di misurazione della temperatura

Questo exampla figura mostra come il fattore di idealità contribuisce all'errore di misurazione della temperatura. Nell'esample, il calcolo mostra la discrepanza di idealità che causa un errore significativo nella misurazione della temperatura.

Equazione 4. Relazione del fattore di idealità con la temperatura misurata

Dove:

ηTSC—fattore di idealità del chip di rilevamento della temperatura
TTSC: temperatura letta dal chip di rilevamento della temperatura
ηRTD—fattore di idealità del diodo di temperatura remoto
TRTD: temperatura sul diodo di temperatura remoto

I seguenti passaggi stimano la misurazione della temperatura (TTSC) da parte del chip di rilevamento della temperatura, dati i seguenti valori:

Il fattore di idealità del sensore di temperatura (ηTSC) è 1.005
Il fattore di idealità del diodo di temperatura remoto (ηRTD) è 1.03
La temperatura effettiva sul diodo di temperatura remota (TRTD) è 80°C

Converti il TRTD di 80°C in Kelvin: 80 + 273.15 = 353.15 K.
Applicare l'equazione 4. La temperatura calcolata dal chip di rilevamento della temperatura è 1.005 × 353.15 = 344.57 K.TTSC = 1.03

Convertire il valore calcolato in Celsius: TTSC = 344.57 K – 273.15 K = 71.43°C L'errore di temperatura (TE) causato dalla mancata corrispondenza dell'idealità:
TE = 71.43°C – 80.0°C = –8.57°C

Errore di resistenza in serie

La resistenza in serie sui pin P e N contribuisce all'errore di misurazione della temperatura.

La resistenza in serie può essere:

La resistenza interna dei pin P e N del diodo della temperatura.
La resistenza alla traccia della scheda, ad esample, una lunga traccia di tavola.

La resistenza in serie provoca un volume aggiuntivotage cadere nel percorso di rilevamento della temperatura e provocare errori di misurazione, influenzando la precisione della misurazione della temperatura. In genere, questa situazione si verifica quando si esegue la misurazione della temperatura con un chip di rilevamento della temperatura a 2 correnti.

Figura 3. Resistenza in serie interna e integrataPer spiegare l'errore di temperatura che si verifica quando la resistenza in serie aumenta, alcuni produttori di chip di rilevamento della temperatura forniscono i dati per l'errore di temperatura del diodo remoto rispetto alla resistenza.
Tuttavia, è possibile eliminare l'errore di resistenza in serie. Alcuni chip di rilevamento della temperatura dispongono di una funzione di cancellazione della resistenza in serie incorporata. La funzione di cancellazione della resistenza in serie può eliminare la resistenza in serie da un intervallo di poche centinaia di Ω a un intervallo superiore a poche migliaia di Ω.
Intel consiglia di considerare la funzionalità di annullamento della resistenza in serie quando si seleziona il chip di rilevamento della temperatura. La funzione elimina automaticamente l'errore di temperatura causato dalla resistenza del percorso al transistor remoto.

Variazione Beta del diodo di temperatura

Man mano che le geometrie della tecnologia di processo si riducono, il valore Beta(β) del substrato PNP o NPN diminuisce.
Man mano che il valore Beta del diodo di temperatura diminuisce, soprattutto se il collettore del diodo di temperatura è collegato a terra, il valore Beta influisce sul rapporto di corrente sull'Equazione 3 a pagina 5. Pertanto, mantenere un rapporto di corrente accurato è fondamentale.
Alcuni chip di rilevamento della temperatura dispongono di una funzione di compensazione Beta incorporata. La variazione Beta del circuito rileva la corrente di base e regola la corrente dell'emettitore per compensare la variazione. La compensazione Beta mantiene il rapporto corrente del collettore.

Figura 4. Diodo di temperatura Fabric Intel Stratix 10 Core con compensazione beta MAX31730 di Maxim Integrated* abilitata
Questa figura mostra che la precisione della misurazione viene raggiunta con la compensazione Beta abilitata. Le misurazioni sono state effettuate durante la condizione di spegnimento dell'FPGA: si prevede che le temperature impostate e misurate siano vicine.

	0˚C	50˚C	100˚C
Compensazione Beta disattivata	25.0625˚C	70.1875˚C	116.5625˚C
Compensazione Beta attivata	-0.6875°C	49.4375˚C	101.875˚C

Condensatore di ingresso differenziale

Il condensatore (CF) sui pin P e N agisce come un filtro passa-basso che aiuta a filtrare il rumore ad alta frequenza e a migliorare l'interferenza elettromagnetica (EMI).
È necessario prestare attenzione durante la selezione del condensatore perché la grande capacità può influenzare il tempo di salita della sorgente di corrente commutata e introdurre un enorme errore di misurazione. In genere, il produttore del chip di rilevamento della temperatura fornisce il valore di capacità consigliato nella scheda tecnica. Fare riferimento alle linee guida o alle raccomandazioni di progettazione del produttore del condensatore prima di decidere il valore della capacità.

Figura 5. Capacità di ingresso differenziale

Compensazione di compensazione

Più fattori possono contribuire contemporaneamente all’errore di misurazione. A volte, l’applicazione di un unico metodo di compensazione potrebbe non risolvere completamente il problema. Un altro metodo per risolvere l'errore di misurazione consiste nell'applicare la compensazione dell'offset.

Nota: Intel consiglia di utilizzare un chip di rilevamento della temperatura con compensazione dell'offset incorporata. Se il chip di rilevamento della temperatura non supporta questa funzione, è possibile applicare la compensazione dell'offset durante la post-elaborazione tramite logica o software personalizzato.
La compensazione dell'offset modifica il valore del registro di offset dal chip di rilevamento della temperatura per eliminare l'errore calcolato. Per utilizzare questa funzione, è necessario eseguire una misurazione della temperatura professionalefile studiare ed individuare il valore di offset da applicare.

È necessario raccogliere misurazioni della temperatura nell'intervallo di temperatura desiderato con le impostazioni predefinite del chip di rilevamento della temperatura. Successivamente, eseguire l'analisi dei dati come nel seguente esempioample per determinare il valore di offset da applicare. Intel consiglia di testare diversi chip di rilevamento della temperatura con diversi diodi di temperatura remoti per assicurarsi di coprire le variazioni da parte a parte. Quindi, utilizzare la media delle misurazioni nell'analisi per determinare le impostazioni da applicare.
È possibile selezionare i punti di temperatura da testare in base alle condizioni operative del sistema.

Equazione 5. Fattore di offset

Exampil 2. Applicazione della compensazione di compensazioneIn questo example, è stata raccolta una serie di misurazioni della temperatura con tre punti di temperatura. Applicare l'equazione 5 ai valori e calcolare il fattore di offset.

Tabella 1. Dati raccolti prima dell'applicazione della compensazione di compensazione

Imposta temperatura		Temperatura misurata
100°C	373.15 mila	111.06°C	384.21 mila
50°C	323.15 mila	61.38°C	334.53 mila
0°C	273.15 mila	11.31°C	284.46 mila

Utilizzare il punto medio dell'intervallo di temperatura per calcolare la temperatura di offset. In questo esample, il punto centrale è la temperatura impostata di 50°C.
Temperatura di compensazione

= Fattore di offset × (Temperatura misurata−Temperatura impostata)
= 0.9975 × (334.53 − 323.15)
= 11.35

Applicare il valore di offset della temperatura e altri fattori di compensazione, se necessario, nel chip di rilevamento della temperatura ed eseguire nuovamente la misurazione.

Tabella 2. Dati raccolti dopo l'applicazione della compensazione di offset

Imposta temperatura	Temperatura misurata	Errore
100°C	101.06°C	1.06°C
50°C	50.13°C	0.13°C
0°C	0.25°C	0.25°C

Informazioni correlate
Risultati della valutazione
Fornisce una riview dei risultati della valutazione del metodo di compensazione dell'offset con i chip di rilevamento della temperatura di Maxim Integrated* e Texas Instruments*.

Risultati della valutazione

Nella valutazione, i kit di valutazione MAX31730 di Maxim Integrated* e TMP468 di Texas Instruments* sono stati modificati per interfacciarsi con i diodi di temperatura remoti di diversi blocchi nell'FPGA Intel.

Tabella 3. Blocchi valutati e modelli di schede

Bloccare	Scheda di valutazione del chip di rilevamento della temperatura
Bloccare	TMP468 di Texas Instruments	Maxim Integra il MAX31730
Tessuto core Intel Stratix 10	SÌ	SÌ
Piastrella ad H o piastrella a L	SÌ	SÌ
E-tile	SÌ	SÌ
Piastrella P	SÌ	SÌ

Le seguenti figure mostrano la configurazione della scheda Intel FPGA con le schede di valutazione Maxim Integrated e Texas Instruments.

Figura 6. Configurazione con la scheda di valutazione MAX31730 di Maxim Integrate d

Figura 7. Configurazione con la scheda di valutazione TMP468 di Texas Instruments

Un forzatore termico (o in alternativa è possibile utilizzare una camera termica) ha coperto e sigillato l'FPGA e ha forzato la temperatura in base al punto di temperatura impostato.
Durante questo test, l'FPGA è rimasto non alimentato per evitare che generasse calore.
Il tempo di immersione per ciascun punto di test della temperatura è stato di 30 minuti.
Le impostazioni sui kit di valutazione utilizzavano le impostazioni predefinite dei produttori.
Dopo l'impostazione, sono stati seguiti i passaggi descritti in Compensazione offset a pagina 10 per la raccolta e l'analisi dei dati.

Valutazione con la scheda di valutazione del chip di rilevamento della temperatura MAX31730 di Maxim Integrated

Questa valutazione è stata condotta con passaggi di impostazione descritti in Compensazione offset.
I dati sono stati raccolti prima e dopo l'applicazione della compensazione di compensazione. È stata applicata una temperatura di offset diversa a diversi blocchi Intel FPGA perché non è possibile applicare un singolo valore di offset su tutti i blocchi. Le figure seguenti mostrano i risultati.

Figura 8. Dati per Intel Stratix 10 Core Fabric

Figura 9. Dati per Intel FPGA H-Tile e L-Tile

Figura 10. Dati per Intel FPGA E-Tile

Figura 11. Dati per Intel FPGA P-Tile

Valutazione con la scheda di valutazione del chip di rilevamento della temperatura TMP468 di Texas Instruments

Figura 12. Dati per Intel Stratix 10 Core Fabric

Figura 13. Dati per Intel FPGA H-Tile e L-Tile

Figura 14. Dati per Intel FPGA E-Tile

Figura 15. Dati per Intel FPGA P-Tile

Conclusione

Esistono molti produttori diversi di chip di rilevamento della temperatura. Durante la selezione dei componenti, Intel consiglia vivamente di selezionare il chip di rilevamento della temperatura tenendo conto delle seguenti considerazioni.

Seleziona un chip con la funzionalità del fattore di idealità configurabile.
Seleziona un chip con cancellazione della resistenza in serie.
Seleziona un chip che supporti la compensazione Beta.
Seleziona i condensatori che corrispondono alle raccomandazioni del produttore del chip.
Applicare qualsiasi compensazione adeguata dopo aver eseguito un controllo della temperaturafile studio.

In base alle considerazioni sull'implementazione e ai risultati della valutazione, è necessario ottimizzare il chip di rilevamento della temperatura nel progetto per ottenere la precisione della misurazione.

Cronologia delle revisioni del documento per AN 769: Guida all'implementazione del diodo di rilevamento della temperatura remoto Intel FPGA

Versione del documento	Cambiamenti
2022.04.06	Corretto il calcolo della temperatura del chip di rilevamento della temperatura nell'argomento relativo alla mancata corrispondenza del fattore di idealità. Corretto il calcolo dell'offset della temperatura, esample nell'argomento sulla compensazione dell'offset.
2021.02.09	Versione iniziale.

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ISO
9001:2015
Registrato

Documenti / Risorse

Diodo di rilevamento della temperatura remoto Intel AN 769 FPGA [pdf] Guida utente
AN 769 Diodo di rilevamento della temperatura remoto FPGA, AN 769, Diodo di rilevamento della temperatura remoto FPGA, Diodo di rilevamento della temperatura remoto, Diodo di rilevamento della temperatura, Diodo di rilevamento

Riferimenti

Manuale d'uso

Diodo di rilevamento della temperatura remoto Intel AN 769 FPGA

Introduzione