硅溫度傳感器

硅傳感器正成為電子系統(tǒng)中越來越重要的傳感器。隨著系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，越來越緊湊，越來越密集，運行速度越來越快，越來越熱，監(jiān)控臨界溫度變得越來越重要。傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，如熱電偶，熱敏電阻和RTD，現(xiàn)在正被硅傳感器取代，易于集成和使用。許多傳統(tǒng)傳感器類型本質(zhì)上是非線性的，需要信號調(diào)理（即補償，查找表，激勵電路等），以便將溫度精確地轉(zhuǎn)換為電可測量的數(shù)量，例如電壓或電流。

信號調(diào)理注意事項，設(shè)計和電路的實際例子可參見研討會筆記電力和熱管理實用設(shè)計技術(shù)，另外，硅傳感器具有線性，精確，低成本的特點，并且可以與放大器和任何其他所需的處理功能集成在同一IC上。硅傳感器中的實際傳感元件是簡單的P-N晶體管結(jié)。常規(guī)P-N晶體管結(jié)上的電壓具有約2mV /℃的固有溫度依賴性，并且這一事實可用于開發(fā)溫度測量系統(tǒng)。硅傳感器是傳感器行業(yè)標準的新產(chǎn)品，但半導(dǎo)體行業(yè)標準非常成熟。例如，AD590 1-μA/°C IC傳感器是在20多年前推出的！

為了將溫度變化與電流水平的影響分開并消除偏移，最常見的技術(shù)是基于測量在兩個晶體管結(jié)上。通過以恒定的集電極電流密度比率 r 操作兩個相同的晶體管，它們的基極 - 發(fā)射極電壓之差將是（ kT / q ）（ln r ）。由于 k （玻爾茲曼常數(shù)）和 q （電子電荷）都是物理常數(shù)，因此產(chǎn)生的電壓直接與絕對溫度成正比。

ADI提供的溫度監(jiān)測產(chǎn)品，包含這種類型的溫度傳感，通常將其與其他功能集成在一起。例如，它可以與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組合。圖1顯示了AD7415的框圖;它包含溫度感應(yīng)電路，放大器和ADC，以及雙線I 2 C接口。其他產(chǎn)品，例如模擬對話33-1中的ADM9240，包括許多附加功能，如電壓監(jiān)控和風扇速度監(jiān)控，以及片上限制設(shè)置。

傳感器安裝注意事項 - 問題

雖然硅傳感器是一種非常精確的溫度傳感器，但重要的是要記住它只能測量自身的結(jié)溫，從而測量自己的結(jié)溫。 死亡溫度。如果人們只想監(jiān)測外殼內(nèi)的近似區(qū)域溫度或環(huán)境溫度（并且對流和傳導(dǎo)條件足夠），那就沒問題了。但是，如果必須監(jiān)控熱源或計算機芯片內(nèi)的局部溫度，例如奔騰? III CPU或高性能圖形芯片，則會受到更多威脅，情況就是如此不那么直截了當為了準確測量熱源的溫度，傳感器必須靠近光源本身。傳感器和熱源之間的熱阻累積將導(dǎo)致測量誤差和不確定性。在許多情況下，為了獲得準確的溫度測量而需要解決的物理安裝問題可能根本無法解決，導(dǎo)致降額和次優(yōu)性能。

例如，如果IC溫度傳感器必須是安裝在電路板上的，它們不太可能與被監(jiān)測物體的“熱點”緊密物理接觸。有可能通過微型的兩個和三個終端設(shè)備解決安裝困難，但使用多引線封裝幾乎是不可能的。

偏移校準？

一種方法可能是添加精心選擇的偏移量以解決傳感器和熱源之間的溫差。通過將顯示的溫度與實際溫度進行比較，可以在系統(tǒng)表征期間導(dǎo)出所需的偏移。由于室溫下所需的偏移幾乎肯定會與高溫下所需的偏移量不同，因此簡單的偏移寄存器通常是不夠的。查找表方法是解決問題的一種方法。對于固定系統(tǒng)，這種方法可能是有效的，盡管不實用，但是當系統(tǒng)配置發(fā)生變化時，查找表會有所不同。

例如，考慮通過盡可能靠近CPU放置溫度傳感器來測量主板上CPU的溫度。傳感器很可能距離熱源（CPU）至少1厘米。通過兩者之間的板材料的路徑的熱阻非常高，并且氣流（即，如果從源朝向傳感器引導(dǎo)的對流或風扇驅(qū)動的流動）是熱量傳遞到傳感結(jié)的主要方式。 。單獨的對流很容易受到干擾 - 例如，通過向系統(tǒng)添加另一張卡 - 導(dǎo)致測量不準確。風扇驅(qū)動的流動具有冷卻的優(yōu)點，但會使對流電流失真并導(dǎo)致CPU芯片內(nèi)局部溫度的測量非常不準確。

理想的解決方案是將傳感器和相關(guān)的調(diào)節(jié)電路集成在一起。 CPU死自己。這種集成將保證準確的溫度感測，因為傳感器將與熱源緊密物理以及熱接近。不幸的是，用于構(gòu)建當今高性能CPU的技術(shù)與用于構(gòu)建高精度溫度傳感器和相關(guān)放大電路的技術(shù)不兼容。

答案：直接感知CPU

解決問題的最佳方法是在熱點附近的CPU芯片上提供PN結(jié)感應(yīng) - 然后使用外部調(diào)理IC來完成剩下的工作。這種方法可以直接測量CPU溫度而沒有任何不確定性。最新的Intel Pentium ? II和Pentium ? III CPU包含一個片上熱敏二極管監(jiān)視器（TDM），以實現(xiàn)這一目標。在Slot 1 CPU上，兩個引腳THERMDP和THERMDN提供對片內(nèi)二極管的訪問。為了提供信號調(diào)理并將微小電壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的可測量結(jié)果，ADI公司的新一代產(chǎn)品ADM102x系列提供所需的調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路。

TDM到數(shù)字 - 一種新方法

現(xiàn)在的訣竅是將由于溫度引起的微小電壓變化轉(zhuǎn)換為真正可測量的信號并將其數(shù)字化。低信號電平本身會造成一個困難的儀表問題，但電路必須工作的嘈雜環(huán)境使其更加復(fù)雜。想象一下你是否會在數(shù)字計算機芯片內(nèi)的電氣環(huán)境！信號很容易被噪聲淹沒，使得無法恢復(fù)信號。此外，從一個單元到另一個單元的制造變化導(dǎo)致結(jié)的響應(yīng)差異。我們現(xiàn)在將討論該技術(shù)如何工作，如何與更傳統(tǒng)的技術(shù)進行比較以及如何從中提取最佳性能。

解決方案

首先，對于在給定的電流水平下，二極管的絕對正向壓降在CPU制造過程中得不到很好的控制。此外，由于電壓取決于絕對（即開爾文）溫度，因此正向電壓值比每1°C溫度變化的值變化大許多倍。因此，最重要的要求是在發(fā)生任何放大之前從等式中去除二極管電壓的絕對值。

單個器件校準是一種選擇，但不是實用的。相反，使用與上述雙晶體管方法相當?shù)募夹g(shù)，除了電流密度（每單位面積的電流）r的比率取決于改變同一二極管中的電流而不是使用兩個二極管的不同區(qū)域。電流相等。這種稱為“delta-V BE 校準”的技術(shù)強制通過熱二極管結(jié)的兩個不同電平，并測量正向電壓的變化。可以將第一電流視為校準電流，并且確定結(jié)的V BE 正向電壓值。然后用第二電流再次測量V BE 值。 V BE 的變化或差異與絕對溫度成比例。它與結(jié)的正向電壓或由于制造變化引起的其他差異無關(guān)。

V BE = （kT / q） ln （Ic / 是）

由于 I S 是晶體管的屬性，對于任何一個電流都不變，

V BE1 - V BE2 =Δ V BE =（ kT / q ）ln（ I / NI ）=（ kT / q ）ln（1 / N ）

由于 N ， k 和 q 都是已知的常量，

T =（常數(shù)）（Δ V BE ）

Δ V 的輸出BE 傳感器的變化約為2.2 mV /°C。該信號需要調(diào)節(jié)和放大實際Δ V BE 傳感器顯示為襯底晶體管，因為實際上這是片上結(jié)的情況。它同樣可以是分立晶體管。如果使用分立晶體管，則集電極不會接地，應(yīng)與基極連接。為防止接地噪聲干擾測量，傳感器的負極端子不以地為參考，而是通過D-輸入端的內(nèi)部二極管偏置到地面以上。要測量Δ V BE ，傳感器在 I 和 N × I的工作電流之間切換

濾波和放大

產(chǎn)生的波形通過65 kHz低通濾波器去除噪聲，然后通過斬波穩(wěn)定放大器，執(zhí)行放大和整流波形的功能產(chǎn)生與Δ V BE 成比例的直流電壓。該電壓由ADC測量，以8位二進制補碼格式提供溫度輸出。為了進一步降低噪聲的影響，進行了16次測量，結(jié)果取平均值，然后在輸出端提供平均結(jié)果。

那么TDM方法在實踐中有多好？

將TDM測量與更傳統(tǒng)的熱敏電阻方法進行比較是很有意思的。以下示例將使用熱敏電阻和TDM通道獲得的結(jié)果進行比較，以測量插槽1盒中333 MHz Pentium ? II的溫度。熱敏電阻與盒式散熱器直接物理接觸。 TDM通道使用片上二極管和ADM1021（具有與上述類似的電路）來提供信號調(diào)理。

除了更準確之外，它不會受到熱滯后的影響。雖然與散熱器的接觸優(yōu)于甚至沒有進行接觸的早期方法，但它仍然表現(xiàn)出主要缺點。從圖4c中可以看出，熱敏電阻滯后完全錯過了許多熱事件，因為它的響應(yīng)時間很慢。圖4a顯示了上電事件，而圖4b顯示了上電。超過30°C（代表墨盒溫度而不是實際芯片溫度）的誤差是顯而易見的。

更重要的是圖4c，其中CPU循環(huán)進入和退出掛起模式。熱敏電阻完全錯過了這些20°C的熱事件。很容易看出在由于故障情況導(dǎo)致溫度快速上升的情況下如何保護系統(tǒng)失敗。所有圖還顯示了隨著溫度升高TDM和熱敏電阻之間的偏移誤差（由于封裝溫度下降）。偏移可以通過系統(tǒng)校準來處理，但是沒有人可以做任何補償熱滯后的事情。實際上，如果采用額外的系統(tǒng)冷卻，TDM和熱敏電阻之間的誤差仍會更大。

使用離散晶體管進行TDM

因此，如果將傳感二極管集成到正在測量溫度的CPU的芯片上，則TDM方法非常有效。如何使用這種方法測量沒有片上TDM的溫度，或測量IC以外的熱源溫度？ Δ V BE TDM方法也可以與獨立的分立晶體管一起使用。任何NPN或PNP通用晶體管，例如2N3904或2N3906，都可以用作遠程傳感器。使用分立晶體管，將基極連接到集電極，形成2端子器件。晶體管是良好的溫度傳感器，因為它們具有較低的熱質(zhì)量并且易于安裝。

如果晶體管傳感結(jié)距離很遠（> 6英尺）并且在嘈雜的環(huán)境中使用，保護信號完整性和防止干擾的最佳方法是使用雙絞屏蔽電纜。最大電纜長度受電纜電容和串聯(lián)電阻的限制。 D +和D-之間的電容會導(dǎo)致建立時間誤差，因為在轉(zhuǎn)換之前，開關(guān)電流需要完全穩(wěn)定。

嘈雜環(huán)境中的TDM

在使用熱二極管感應(yīng)技術(shù)時，特別是在嘈雜的環(huán)境中，遵守一些指導(dǎo)是非常重要的。 PC環(huán)境本身就很嘈雜，并且隨著PC變得越來越快而越來越嘈雜。隨著CPU速度降至1 GHz，EMC噪聲變得更加令人頭痛。高速圖形端口（AGP），高速隨機存取存儲器和高速磁盤訪問意味著噪聲有很多機會和路徑耦合到敏感的模擬電路中。 TDM是一種非常敏感的方法。驅(qū)動熱二極管的電路由高阻抗，低電平電流源組成。為了防止干擾，如果附近有高頻噪聲源，TDM線路應(yīng)盡可能短，并屏蔽。

ADM1021上的附加功能

除了ADM1021是TDM通道，包括一個用于本地或環(huán)境溫度監(jiān)控的片上晶體管。可編程轉(zhuǎn)換速率（從每16秒1次轉(zhuǎn)換到每秒8次轉(zhuǎn)換）有助于實現(xiàn)高更新速率，必須記錄快速溫度變化。如果不需要快速更新，則可以使用較低的更新速率來節(jié)省功耗。

ADM1021還包含四個限制寄存器，用于存儲本地和遠程，高溫和低溫限制。功能框圖如圖7所示。使用ADM1021的典型系統(tǒng)配置如圖8所示。

TDM CPU監(jiān)控有助于實現(xiàn)最佳散熱

圖9顯示了真實筆記本電腦的散熱曲線。這顯示了芯片上的溫度如何升高監(jiān)控實用程序開始運行后（在開機和Windows啟動后）在計算機環(huán)境中。有趣的是要注意CPU和內(nèi)部環(huán)境的運行速度。 BIOS將CPU溫度限制設(shè)置為92°C。達到此溫度后，風扇將打開并保持打開狀態(tài)，直至溫度降至82°C以下。由于ADM1021均設(shè)置了上限和下限，因此風扇可將CPU溫度控制在82°C至92°C之間。溫度將在這兩個水平之間振蕩。如果風扇發(fā)生故障，溫度上限會在系統(tǒng)損壞時關(guān)閉系統(tǒng)。值得注意的是，環(huán)境溫度也會達到非常高的溫度，比CPU溫度低大約10℃，在筆記本電腦外殼內(nèi)。

這個例子說明了TDM技術(shù)在CPU溫度管理中的重要性。在采用這種技術(shù)之前，不可能通過持續(xù)冷卻系統(tǒng)來從CPU中提取如此高的性能水平而不會過熱或過度浪費電池壽命。