采用混合信號FPGA實現(xiàn)智能化熱管理

引言

　　傳統(tǒng)上，人們一直采用熱敏電阻、熱耦或分離式溫度測量芯片來測量系統(tǒng)溫度。而且，隨著系統(tǒng)速度越來越快，系統(tǒng)的相對尺寸越來越小，溫度測量也變得越來越重要。

　　然而，若需要測量板卡上多個測試點的溫度，這些器件的成本會迅速增加。這反過來產(chǎn)生了對高效、緊湊及低價的溫度測量方法的迫切需求，其應(yīng)用范圍遍及高速計算機(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)器件、電機(jī)控制以及汽車電子。

　　由于及時和準(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)部情況平衡其運作。這類系統(tǒng)還有其它優(yōu)點，即可使用板卡上的測溫二極管 (或采用二極管接法的晶體管) 跟蹤和測量特定器件的溫度。這樣，當(dāng)出現(xiàn)溫度異常時，就能提示系統(tǒng)的運行情況，指出部件當(dāng)前運行不正確。而智能系統(tǒng)此時就可作出響應(yīng)，采取修正措施，并/或向系統(tǒng)管理部分給出超界報警。

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

　　使用混合信號FPGA檢查和測量電壓

　　在研究恒流下二極管絕對溫度與其正向電壓間的關(guān)系時，二極管正向壓降隨溫度的變化大約為2mV/C。為提高測量精度，并排除不同二極管間的差異因素，要利用兩個已知的電流值及測量值的比率數(shù)據(jù)。圖1所示為溫度對二極管電壓和電流的影響。

　　該測量值由如下方程表示：

T =DV * q / (n * k * ln(IH / IL) (1)

　　其中，T=絕對溫度，DV=二極管在高電流和低電流下的電壓差，q=1.602×10-19 庫侖 (一個電子的電荷量)，n=1(理想因子，這里假定為1)，k=1.38×10-23 J/K(波爾茲曼常數(shù))，IH = 高電流強(qiáng)度，IL=低電流強(qiáng)度。

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

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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FPGA所測量出的電壓值。

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