工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠(yuǎn)程傳感器IC①

第 2.2 節(jié)  高性能處理器模溫監(jiān)測(cè)

簡(jiǎn)介

諸如中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU)、專用集 成電路 (ASIC) 和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 之類的高性能處理器中的電源管理通常很復(fù)雜。通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)，這些系統(tǒng)不僅可以啟動(dòng)安全系統(tǒng)關(guān)閉程序，還可以利用溫度數(shù)據(jù)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整性能。

監(jiān)測(cè)過(guò)程溫度可以提高系統(tǒng)可靠性并最大限度提升性能。如圖 1 所示，高性能處理器通常使用散熱器吸收管芯中的過(guò)多熱量。較高的溫度可能會(huì)激活散熱風(fēng)扇，修改系統(tǒng)時(shí)鐘，或者在處理器超過(guò)其溫度閾值時(shí)快速關(guān)閉系統(tǒng)。

管芯溫度監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為了實(shí)現(xiàn)高效的溫度監(jiān)測(cè)，高性能處理器有兩個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：溫度精度和傳感器放置。處理器的溫度精度直接與傳感器位置相關(guān)。

如圖 2 所示，通過(guò)高精度的溫度監(jiān)測(cè)，可以最大限度提高處理器性能，從而將系統(tǒng)推動(dòng)到其溫度設(shè)計(jì)極限。雖然大 多數(shù)集成電路都有內(nèi)置的溫度傳感器，但由于晶圓和其他各批次之間的差異，這些傳感器的精度并不一致。另外，必須根據(jù)基準(zhǔn)來(lái)調(diào)理處理器，從而調(diào)整相對(duì)于管芯溫度的系數(shù)。高性能處理器本身具有復(fù)雜的電路并會(huì)引起自發(fā)熱，因此會(huì)產(chǎn)生隨溫度增加的溫度誤差。如果設(shè)計(jì)的 系統(tǒng)具有較低精度和溫度誤差，系統(tǒng)的性能將無(wú)法在其溫度設(shè)計(jì)極限內(nèi)達(dá)到最大化。

傳感器放置和精度

集成的溫度傳感器或溫度二極管或外部溫度傳感器可以監(jiān)測(cè)處理器的熱性能。在某些情況下，同時(shí)使用內(nèi)部和外 部傳感器可以最大化系統(tǒng)性能并提高可靠性。

雙極結(jié)晶體管集成溫度傳感器

一些高性能處理器包含用于溫度傳感的雙極結(jié)型晶體管 (BJT)。BJT 具有取決于溫度且可預(yù)測(cè)性極高的傳遞函數(shù)。遠(yuǎn)程溫度傳感器使用此原理來(lái)測(cè)量管芯溫度。在互補(bǔ) 金屬氧化物半導(dǎo)體工藝中最常見(jiàn)的 BJT 是 P 溝道 N 溝 道 P 溝道 (PNP)。圖 3 顯示了一個(gè)用于測(cè)量 PNP 晶體管 連接配置的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)電路。

由于晶圓和不同批次之間的差異引起的噪聲和誤差，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程可能充滿挑戰(zhàn)。溫度二極管誤差可能由以下原因引起：

? 理想因子變化。BJT 溫度二極管的特性取決于工藝幾何因素和其他工藝變量。如果知道理想因子 n，則可 以使用 n 因子寄存器來(lái)校正 n 因子誤差?；蛘?，可以 使用軟件校準(zhǔn)方法來(lái)校正所需溫度范圍內(nèi)的理想因 子變化。

? 串聯(lián)電阻。由于電流源，信號(hào)路徑中的任何電阻都將引起電壓失調(diào)?，F(xiàn)代遠(yuǎn)程溫度傳感器采用串聯(lián)電阻算法，可消除由高達(dá) 1-2kΩ 的電阻引起的溫度誤差。 即使與電阻-電容濾波器結(jié)合使用，該算法也能實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)健、精確的測(cè)量結(jié)果。

? 噪聲注入。當(dāng)二極管走線與承載高電流的高頻信號(hào)線 并行排布時(shí)，耦合到遠(yuǎn)端印刷電路板走線中的電磁 干擾或電感可能導(dǎo)致誤差。這是遠(yuǎn)程溫度傳感器最 重要的電路板設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)之一。

? Beta 補(bǔ)償。集成到 FPGA 或處理器中的溫度晶體管 的 Beta 值可能小于 1。具有 Beta 補(bǔ)償?shù)倪h(yuǎn)程溫度傳 感器專門(mén)設(shè)計(jì)用于與這些晶體管結(jié)合使用并校正與 它們相關(guān)的溫度測(cè)量誤差。與分立式晶體管一起使 用時(shí)，Beta 補(bǔ)償特性不會(huì)帶來(lái)任何好處。

器件建議

TMP421 提供單個(gè)通道來(lái)監(jiān)測(cè) BJT；也有多通道遠(yuǎn)程溫 度傳感器支持多達(dá)八個(gè)通道，可在本地和遠(yuǎn)程測(cè)量溫度。

TMP451 在本地和遠(yuǎn)程均可提供高精度 (0.0625°C) 溫度測(cè)量。服務(wù)器、筆記本電腦和汽車傳感器融合應(yīng)用可受益于多通道遠(yuǎn)程傳感器。

外部溫度傳感器

雖然內(nèi)置溫度傳感器位置最佳，但其精度低至 ±5°C。添加外部本地溫度傳感器可以提高管芯溫度精度并提升系統(tǒng)性能。當(dāng)集成的管芯溫度傳感器不可用時(shí)，也可以使用 本地溫度傳感器。然而，對(duì)于本地溫度傳感器，傳感器位 置是重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。圖 4 顯示了放置本地溫度傳 感器的一些選項(xiàng)：位置 a、b 和 c。

? 位置 a。位于微處理器散熱器中心鉆孔中的傳感器與管芯非?？拷Ｉ崞骺梢?shī)A持到處理器上，或者用環(huán)氧樹(shù)脂貼附到處理器頂部。此位置的溫度傳感器 通常需要較長(zhǎng)的引線，而隨著散熱器到微處理器之 間的導(dǎo)熱性能逐漸下降，傳感器數(shù)據(jù)將變得不正確。

? 位置 b。另一個(gè)放置傳感器的潛在位置是在處理器插座下方的空腔中，此處的組裝非常簡(jiǎn)單直接。鑒于傳感器與氣流隔離，環(huán)境溫度對(duì)傳感器讀數(shù)的影響極小。此外，如果散熱器與處理器分離，傳感器將顯示 處理器溫度升高。盡管如此，如果采用這種傳感器放 置方式，傳感器和處理器之間的溫差可能在 5°C 到 10°C 之間。

? 位置 c。傳感器可以安裝在微處理器單元 (MPU) 旁邊的電路板上。雖然這種安裝方式易于實(shí)施，但傳感器溫度與 MPU 溫度之間的相關(guān)性要弱得多。

器件建議

占位尺寸是選擇本地溫度傳感器時(shí)需要考慮的一個(gè)因素。TMP112 采用 1.6mm x 1.6mm 封裝，可以靠近處理器使用。與集成在處理器內(nèi)部的溫度傳感器通常只有 5°C 至 20°C 的精度相比，TMP112 器件的 0.5°C 精度可以最大限度提高性能。

有關(guān)設(shè)計(jì)具有遠(yuǎn)程溫度傳感器和外部溫度監(jiān)測(cè)功能的管芯溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用的其他資源，請(qǐng)參閱表 1。