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(cè)量芯片來(lái)測(cè)量系統(tǒng)溫度。而且,隨著系統(tǒng)速度越來(lái)越快,系統(tǒng)的相對(duì)尺寸越來(lái)越小,溫度測(cè)量也變得越來(lái)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(guò)來(lái)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)器件、電機(jī)控制以及汽車(chē)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(lèi)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(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。
該測(cè)量值由如下方程表示:
T =DV * q / (n * k * ln(IH / IL) (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=1.602×10-19 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=1.38×10-23 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(hào)Fusion PSC (可編程系統(tǒng)芯片) 在真實(shí)世界的應(yīng)用來(lái)作為案例進(jìn)行說(shuō)明。該混合信號(hào)FPGA將提供兩個(gè)已知 (100mA 和 10mA) 的電流源 (見(jiàn)圖2),并通過(guò)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
在室溫下,電壓值相對(duì)較小?;旌闲盘?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(IH / IL) / 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??蛇_(dá)1,000次) 也不必?fù)?dān)心實(shí)際信號(hào)變化。通過(guò)過(guò)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(hù)接口 (GUI),用戶(hù)可用它來(lái)設(shè)置平均或過(guò)濾因數(shù)。
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)作出相應(yīng)的響應(yīng)?;旌闲盘?hào)FPGA能輕松監(jiān)視平均溫度,并將其與用戶(hù)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(shuō)明這一點(diǎn),我們舉個(gè)例子。假設(shè)用戶(hù)為一塊電信用的線(xiàn)路卡定義了三種工作溫度范圍:正常、偏熱、過(guò)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(wú)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(guò)載或不正常,溫度將繼續(xù)升高,最后導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的線(xiàn)路卡損壞。智能熱管理系統(tǒng)就是用于防止這類(lèi)事情發(fā)生。
系統(tǒng)現(xiàn)在開(kāi)始采取修正措施。線(xiàn)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(guò)熱”,混合信號(hào)FPGA會(huì)采取更嚴(yán)重的措施,因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)已處于極端的危險(xiǎn)狀態(tài)。于是線(xiàn)路卡開(kāi)始關(guān)閉程序,以防止損壞。線(xiàn)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(xiàn)路卡發(fā)生過(guò)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(xiàn)路卡的電源,防止損壞。
結(jié)語(yǔ)
隨著尺寸越來(lái)越小、處理速度越來(lái)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?;旌闲盘?hào)FPGA還能夠過(guò)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?;旌闲盘?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。