寬量程溫度檢測IC

摘要：利用遠(yuǎn)程溫度傳感器監(jiān)測高性能微處理器和圖象處理器的管芯溫度現(xiàn)已成為一種很普通的技術(shù)，被用于系統(tǒng)的功率和熱量等工況的管理。隨著時(shí)鐘速度、電路密度和功率水平的提升，管芯工作溫度可能會超出常規(guī)溫度傳感器的量程極限。Maxim的新型溫度傳感器能夠測量已超出老器件量程的溫度。本文主要討論這種寬量程的溫度傳感器以及其理論和應(yīng)用。

在高速、高性能集成電路如微處理器、圖象處理器和FPGA的管芯溫度監(jiān)測中，利用外部雙極型晶體管作為敏感元件的數(shù)字式遠(yuǎn)程溫度傳感器已得到廣泛的采用。在這些系統(tǒng)中，要獲取最佳性能，同時(shí)又避免系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性故障，精確的溫度監(jiān)測是關(guān)鍵。系統(tǒng)根據(jù)溫度監(jiān)視器的測量結(jié)果執(zhí)行風(fēng)扇控制和時(shí)鐘扼制等功能，保持高性能IC工作在安全溫度范圍以內(nèi)。在更高溫度時(shí)，還可用它來關(guān)斷系統(tǒng)以免發(fā)生故障。隨著性能和功率水平的提升，遠(yuǎn)程溫度監(jiān)視功能變得更加重要，也更難實(shí)現(xiàn)。

實(shí)際上，所有的常規(guī)數(shù)字溫度傳感器IC的測溫上限均小于128°C，很多被限制在100°C以內(nèi)。很多情況下，這個(gè)常規(guī)測溫范圍是足夠的。然而，有些時(shí)候測量高達(dá)150°C的溫度非常重要。在此情況下，就需要寬量程的溫度傳感器了。

擴(kuò)展測量溫度

典型數(shù)字溫度傳感器IC用一個(gè)符號位和七個(gè)數(shù)值位表示溫度，一個(gè)LSB對應(yīng)于1°C，一個(gè)MSB對應(yīng)于64°C。盡管有些數(shù)字傳感器有更多位來表示更高分辨率的溫度，但64°C的MSB將最高測量溫度限制在128°C以內(nèi)。寬量程的溫度傳感器能夠測量的溫度遠(yuǎn)高于這個(gè)128°C—通?？蛇_(dá)150°C。實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)最方便的方法就是將MSB的權(quán)重設(shè)置為128°C。這種情況下，溫度數(shù)據(jù)的范圍將擴(kuò)展至255°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可用范圍，因?yàn)椴淮罂赡茉庥?27°C以上的溫度。由于用來測溫的半導(dǎo)體結(jié)的局限性，在所測溫度超過約150°C時(shí)精度下降很快。

一些大功率芯片的最高工作溫度依賴于時(shí)鐘速度、工藝、器件封裝和其它各種設(shè)計(jì)因素。通常，信號的完整性隨著溫度的升高而變差，直至電路不再滿足規(guī)范要求。在許多CPU和圖象處理器中，這種情況發(fā)生在100°C左右，但在一些高性能電路中，正常工作條件可延伸至145°C。如果器件在更寬的溫度范圍內(nèi)仍能正常工作，為保證其工作在安全范圍內(nèi)，精確的溫度測量非常重要。由于此溫度范圍的上限已接近晶片的極限溫度條件，為避免器件失效和由此而導(dǎo)致的系統(tǒng)關(guān)斷，溫度監(jiān)視就更加關(guān)系重大(圖1)。


圖1. 寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器能夠監(jiān)視高性能器件的整個(gè)工作范圍。

在一些高性能處理器中，由于熱敏二極管的物理機(jī)制，所測溫度中有一個(gè)“偏移”。也就是說，所測得的溫度將比實(shí)際溫度高出許多。在這種情況下，溫度傳感器需要測量比正常工作范圍高得多的“視在”溫度。盡管所測得的溫度為150°C或更高，二極管的真實(shí)溫度可能仍然在處理器的正常工作溫度范圍內(nèi)。

遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測的基本原理

利用遠(yuǎn)程感溫二極管測量溫度的最普通的辦法，是以兩種不同的電流驅(qū)動二極管，一般電流比為10:1 (這個(gè)二極管并不是象1N4001那樣的兩引線器件，而是一個(gè)連接為二極管方式的雙極型晶體管。兩引線二極管的理想因子與遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器不兼容)。測出二極管在兩種不同電流水平下的電壓，然后由下式可計(jì)算出溫度：



其中：
IH是較高的二極管偏置電流
IL是較低的二極管偏置電流
VH是IH產(chǎn)生的二極管電壓
VL是IL產(chǎn)生的二極管電壓
n是二極管的理想因子
k是玻耳茲曼常數(shù)(1.38 x 10-23joules/°K)
T是絕對溫度，單位為°K
q 是一個(gè)電子的電量(1.60 x 10-19°C)
若= 10，則上式可簡化為：



其中“n”稱為理想因子，與工藝有關(guān)。對絕大多數(shù)晶體管，其值十分接近1.0。例如，Pentium® III微處理器的理想因子約為1.008，而Pentium IV微處理器約為1.002。遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器產(chǎn)生有精確比率關(guān)系的兩種電流，測量所產(chǎn)生的電壓，然后對所測電壓通過比例調(diào)整和電平轉(zhuǎn)移得到溫度數(shù)據(jù)。內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)必須在存有相當(dāng)高共模的條件下精確測量小電壓；1°C的溫度變化量對應(yīng)于大約200µV。