作者：Actel公司高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Rich Howell

傳統(tǒng)上，人們一直采用熱敏電阻、熱電偶或分離式溫度測(cè)量芯片來測(cè)量系統(tǒng)溫度。而且，隨著系統(tǒng)速度越來越快，系統(tǒng)的相對(duì)尺寸越來越小，溫度測(cè)量也變得越來越重要。然而，若需要測(cè)量板卡上多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度，這些器件的成本會(huì)迅速增加。這反過來產(chǎn)生了對(duì)高效、緊湊及低價(jià)的溫度測(cè)量方法的迫切需求，其應(yīng)用范圍遍及高速計(jì)算機(jī)、電信網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備以及工業(yè)溫度控制，諸如便攜式電子產(chǎn)品、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、電機(jī)控制以及汽車電子。

由于及時(shí)和準(zhǔn)確地修正溫度在許多應(yīng)用中都非常關(guān)鍵，當(dāng)今的智能系統(tǒng)都采用了冷卻系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部情況平衡其運(yùn)作。這類系統(tǒng)還有其它優(yōu)點(diǎn)，即可使用板卡上的測(cè)溫二極管（或采用二極管接法的晶體管）跟蹤和測(cè)量特定器件的溫度。這樣，當(dāng)出現(xiàn)溫度異常時(shí)，就能提示系統(tǒng)的運(yùn)行情況，指出部件當(dāng)前運(yùn)行不正確。而智能系統(tǒng)此時(shí)就可做出響應(yīng)，采取修正措施，并/或向系統(tǒng)管理部分給出超界報(bào)警。

除了完成其它系統(tǒng)管理任務(wù)外，當(dāng)今的混合信號(hào)FPGA也是一種智能熱管理系統(tǒng)，可讓設(shè)計(jì)人員以低成本輕松、準(zhǔn)確地測(cè)量多個(gè)位置的溫度。

 

使用混合信號(hào)FPGA檢查和測(cè)量電壓

在研究恒流下二極管絕對(duì)溫度與其正向電壓間的關(guān)系時(shí)，二極管正向壓降隨溫度的變化大約為2mV/C。為提高測(cè)量精度，并排除不同二極管間的差異因素，要利用兩個(gè)已知的電流值及測(cè)量值的比率數(shù)據(jù)。圖1所示為溫度對(duì)二極管電壓和電流的影響。

圖1. 二極管電壓、電流與溫度的關(guān)系。

 

該測(cè)量值由如下方程表示：

 

T = DV * q /（n * k * ln(I_H / I_L）   （1）

 

其中，

T = 絕對(duì)溫度

DV = 二極管在高電流和低電流下的電壓差

q = 1.602x10^-19 庫(kù)侖（一個(gè)電子的電荷量）

n = 1（理想因子，這里假定為1）

k = 1.38x10^-23 J/K（玻耳茲曼常數(shù)）

I_H = 高電流強(qiáng)度

I_L = 低電流強(qiáng)度

 

本文采用Actel的混合信號(hào)Fusion PSC（可編程系統(tǒng)芯片）在真實(shí)世界的應(yīng)用來作為案例進(jìn)行說明。該混合信號(hào)FPGA將提供兩個(gè)已知（100µA和10µA）的電流源（見圖2），并通過內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測(cè)量電壓差。假定二極管處于室溫，檢定電壓差值DV。

從方程（1）中解出將要送到ADC的轉(zhuǎn)換電壓，即如下的方程（2）；進(jìn)而得到混合信號(hào)FPGA所測(cè)量出的電壓值。

 

DV = T * n * k * ln(IH / IL）/ q        （2）

 

              DV = 298 * 1 *（1.38x10^-23 J/K）* ln(10）/（1.602x10^-19C）

              DV = 298 * 0.00019835 = 59 mV

圖2. 基于Fusion技術(shù)的溫度監(jiān)視電路。

 

在室溫下，電壓值相對(duì)較小。混合信號(hào)FPGA中的溫度監(jiān)視電路內(nèi)置一個(gè)12.5倍放大器，可將預(yù)測(cè)信號(hào)放大，從而使溫度信號(hào)的測(cè)量更精確。因此，考慮到電壓信號(hào)到達(dá)ADC前會(huì)被放大，需要對(duì)方程（2）進(jìn)行修改，即：

 

                   DV =（T * n * k * ln(I_H / I_L）/ q ）*12.5

DV =（ 298 * 0.00019835）* 12.5 = 738 mV

 

噪聲濾除

通常，溫度測(cè)量值都難免包含討厭的噪聲。為去除噪聲，通常的做法是將多次測(cè)量值平均，并采用這個(gè)平均后的結(jié)果。好在溫度是個(gè)變化相對(duì)慢的參數(shù)，因此測(cè)量多次（常常可達(dá)1,000次）也不必?fù)?dān)心實(shí)際信號(hào)變化。通過過濾系統(tǒng)級(jí)噪聲，混合信號(hào)FPGA能輕松地對(duì)這些測(cè)量值取平均。所使用的軟件工具一般也提供方便的圖形用戶接口（GUI），用戶可用它來設(shè)置平均或過濾因數(shù)。

圖3. Libero IDE熱管理GUI。

 

在確定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行

既然可以測(cè)量出系統(tǒng)內(nèi)某一位置的溫度，那么設(shè)計(jì)人員該如何使用這個(gè)信息呢？

大多數(shù)系統(tǒng)都應(yīng)在某些溫度范圍內(nèi)工作。因此，只有知道系統(tǒng)的這些工作溫度范圍，才能讓系統(tǒng)做出相應(yīng)的響應(yīng)。混合信號(hào)FPGA能輕松監(jiān)視平均溫度，并將其與用戶定義的溫度閾值比較，從而設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。而且，由于這種FPGA是可編程邏輯器件，因此可設(shè)置不同的閾值。

 

為說明這一點(diǎn)，我們舉個(gè)例子。假設(shè)用戶為一塊電信用的線路卡定義了三種工作溫度范圍：正常、偏熱、過熱。讀取的溫度將作為反饋信號(hào)去控制系統(tǒng)所需要的冷卻量。

當(dāng)平均溫度處于“正常”范圍，無需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改變；這時(shí)系統(tǒng)工作在理想的條件下，并設(shè)置“正常”標(biāo)志。然而，某些內(nèi)部或外部因素可能對(duì)系統(tǒng)造成影響，致使工作溫度從“正常”范圍移進(jìn)“偏熱”范圍，此時(shí)，“正常”標(biāo)志將被清除，并設(shè)置“偏熱”標(biāo)志。雖然這個(gè)范圍按定義還是有效工作的溫度范圍，但系統(tǒng)正在接近有可能造成系統(tǒng)損壞的溫度。而且，如果此時(shí)冷卻系統(tǒng)過載或不正常，溫度將繼續(xù)升高，較后導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的線路卡損壞。智能熱管理系統(tǒng)就是用于防止這類事情發(fā)生。

系統(tǒng)現(xiàn)在開始采取修正措施。線路卡通知系統(tǒng)主控（即混合信號(hào)FPGA），告之系統(tǒng)溫度已升高。系統(tǒng)主控隨即提高冷卻系統(tǒng)的輸出，以抑制溫度的攀升；即冷卻系統(tǒng)應(yīng)提高輸出，使系統(tǒng)返回到“正常”溫度范圍，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。此外，擔(dān)任主控的混合信號(hào)FPGA還可將該熱事件及其發(fā)生的時(shí)間記錄到嵌入式的閃存中，供維護(hù)人員事后取用。

當(dāng)平均溫度從“偏熱”變成“過熱”，混合信號(hào)FPGA會(huì)采取更嚴(yán)厲的措施，因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)已處于極端的危險(xiǎn)狀態(tài)。于是線路卡開始關(guān)閉程序，以防止損壞。線路卡此時(shí)可向主控發(fā)送信號(hào)，告訴主控已關(guān)閉程序。線路卡發(fā)生過熱的情況以及發(fā)生時(shí)間將保存到嵌入式閃存中，供事后調(diào)試和故障分析使用。而且，混合信號(hào)FPGA會(huì)關(guān)斷線路卡的電源，防止損壞。

 

總結(jié)

隨著尺寸越來越小、處理速度越來越快的器件大量用于各種應(yīng)用系統(tǒng)，熱管理在當(dāng)今許多設(shè)計(jì)中正在成為日益越重要的方面。采用混合信號(hào)FPGA，只需外接一些采用二極管接法的晶體管，就可測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)板卡上許多位置的溫度。混合信號(hào)FPGA還能夠過濾噪聲信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。由于采用了可編程邏輯器件，因此可以建立非常靈活的熱窗口（即不同的溫度范圍），并給每種窗口定義其獨(dú)有的系統(tǒng)響應(yīng)方式，包括對(duì)熱事件進(jìn)行簡(jiǎn)單的時(shí)間標(biāo)記，以及關(guān)閉系統(tǒng)，以避免造成永久性熱損壞。混合信號(hào)FPGA可以簡(jiǎn)單、低價(jià)的方式，將熱管理功能集成在全面的系統(tǒng)管理解決方案中。

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