硅傳感器的安裝注意事項(xiàng)及性能

硅溫度傳感器

硅傳感器正成為電子系統(tǒng)中越來(lái)越重要的傳感器。隨著系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越緊湊，越來(lái)越密集，運(yùn)行速度越來(lái)越快，越來(lái)越熱，監(jiān)控臨界溫度變得越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，如熱電偶，熱敏電阻和RTD，現(xiàn)在正被硅傳感器取代，易于集成和使用。許多傳統(tǒng)傳感器類型本質(zhì)上是非線性的，需要信號(hào)調(diào)理（即補(bǔ)償，查找表，激勵(lì)電路等），以便將溫度精確地轉(zhuǎn)換為電可測(cè)量的數(shù)量，例如電壓或電流。

信號(hào)調(diào)理注意事項(xiàng)，設(shè)計(jì)和電路的實(shí)際例子可參見(jiàn)研討會(huì)筆記電力和熱管理實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù)，另外，硅傳感器具有線性，精確，低成本的特點(diǎn)，并且可以與放大器和任何其他所需的處理功能集成在同一IC上。硅傳感器中的實(shí)際傳感元件是簡(jiǎn)單的P-N晶體管結(jié)。常規(guī)P-N晶體管結(jié)上的電壓具有約2mV /℃的固有溫度依賴性，并且這一事實(shí)可用于開(kāi)發(fā)溫度測(cè)量系統(tǒng)。硅傳感器是傳感器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的新產(chǎn)品，但半導(dǎo)體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)非常成熟。例如，AD590 1-μA/°C IC傳感器是在20多年前推出的！

為了將溫度變化與電流水平的影響分開(kāi)并消除偏移，最常見(jiàn)的技術(shù)是基于測(cè)量在兩個(gè)晶體管結(jié)上。通過(guò)以恒定的集電極電流密度比率 r 操作兩個(gè)相同的晶體管，它們的基極 - 發(fā)射極電壓之差將是（ kT / q ）（ln r ）。由于 k （玻爾茲曼常數(shù)）和 q （電子電荷）都是物理常數(shù)，因此產(chǎn)生的電壓直接與絕對(duì)溫度成正比。

ADI提供的溫度監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，包含這種類型的溫度傳感，通常將其與其他功能集成在一起。例如，它可以與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組合。圖1顯示了AD7415的框圖;它包含溫度感應(yīng)電路，放大器和ADC，以及雙線I 2 C接口。其他產(chǎn)品，例如模擬對(duì)話33-1中的ADM9240，包括許多附加功能，如電壓監(jiān)控和風(fēng)扇速度監(jiān)控，以及片上限制設(shè)置。

傳感器安裝注意事項(xiàng) - 問(wèn)題

雖然硅傳感器是一種非常精確的溫度傳感器，但重要的是要記住它只能測(cè)量自身的結(jié)溫，從而測(cè)量自己的結(jié)溫。 死亡溫度。如果人們只想監(jiān)測(cè)外殼內(nèi)的近似區(qū)域溫度或環(huán)境溫度（并且對(duì)流和傳導(dǎo)條件足夠），那就沒(méi)問(wèn)題了。但是，如果必須監(jiān)控?zé)嵩椿蛴?jì)算機(jī)芯片內(nèi)的局部溫度，例如奔騰? III CPU或高性能圖形芯片，則會(huì)受到更多威脅，情況就是如此不那么直截了當(dāng)為了準(zhǔn)確測(cè)量熱源的溫度，傳感器必須靠近光源本身。傳感器和熱源之間的熱阻累積將導(dǎo)致測(cè)量誤差和不確定性。在許多情況下，為了獲得準(zhǔn)確的溫度測(cè)量而需要解決的物理安裝問(wèn)題可能根本無(wú)法解決，導(dǎo)致降額和次優(yōu)性能。

例如，如果IC溫度傳感器必須是安裝在電路板上的，它們不太可能與被監(jiān)測(cè)物體的“熱點(diǎn)”緊密物理接觸。有可能通過(guò)微型的兩個(gè)和三個(gè)終端設(shè)備解決安裝困難，但使用多引線封裝幾乎是不可能的。

偏移校準(zhǔn)？

一種方法可能是添加精心選擇的偏移量以解決傳感器和熱源之間的溫差。通過(guò)將顯示的溫度與實(shí)際溫度進(jìn)行比較，可以在系統(tǒng)表征期間導(dǎo)出所需的偏移。由于室溫下所需的偏移幾乎肯定會(huì)與高溫下所需的偏移量不同，因此簡(jiǎn)單的偏移寄存器通常是不夠的。查找表方法是解決問(wèn)題的一種方法。對(duì)于固定系統(tǒng)，這種方法可能是有效的，盡管不實(shí)用，但是當(dāng)系統(tǒng)配置發(fā)生變化時(shí)，查找表會(huì)有所不同。

例如，考慮通過(guò)盡可能靠近CPU放置溫度傳感器來(lái)測(cè)量主板上CPU的溫度。傳感器很可能距離熱源（CPU）至少1厘米。通過(guò)兩者之間的板材料的路徑的熱阻非常高，并且氣流（即，如果從源朝向傳感器引導(dǎo)的對(duì)流或風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)）是熱量傳遞到傳感結(jié)的主要方式。 。單獨(dú)的對(duì)流很容易受到干擾 - 例如，通過(guò)向系統(tǒng)添加另一張卡 - 導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)具有冷卻的優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)使對(duì)流電流失真并導(dǎo)致CPU芯片內(nèi)局部溫度的測(cè)量非常不準(zhǔn)確。

理想的解決方案是將傳感器和相關(guān)的調(diào)節(jié)電路集成在一起。 CPU死自己。這種集成將保證準(zhǔn)確的溫度感測(cè)，因?yàn)閭鞲衅鲗⑴c熱源緊密物理以及熱接近。不幸的是，用于構(gòu)建當(dāng)今高性能CPU的技術(shù)與用于構(gòu)建高精度溫度傳感器和相關(guān)放大電路的技術(shù)不兼容。

答案：直接感知CPU

解決問(wèn)題的最佳方法是在熱點(diǎn)附近的CPU芯片上提供PN結(jié)感應(yīng) - 然后使用外部調(diào)理IC來(lái)完成剩下的工作。這種方法可以直接測(cè)量CPU溫度而沒(méi)有任何不確定性。最新的Intel Pentium ? II和Pentium ? III CPU包含一個(gè)片上熱敏二極管監(jiān)視器（TDM），以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在Slot 1 CPU上，兩個(gè)引腳THERMDP和THERMDN提供對(duì)片內(nèi)二極管的訪問(wèn)。為了提供信號(hào)調(diào)理并將微小電壓變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的可測(cè)量結(jié)果，ADI公司的新一代產(chǎn)品ADM102x系列提供所需的調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路。

TDM到數(shù)字 - 一種新方法

現(xiàn)在的訣竅是將由于溫度引起的微小電壓變化轉(zhuǎn)換為真正可測(cè)量的信號(hào)并將其數(shù)字化。低信號(hào)電平本身會(huì)造成一個(gè)困難的儀表問(wèn)題，但電路必須工作的嘈雜環(huán)境使其更加復(fù)雜。想象一下你是否會(huì)在數(shù)字計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)的電氣環(huán)境！信號(hào)很容易被噪聲淹沒(méi)，使得無(wú)法恢復(fù)信號(hào)。此外，從一個(gè)單元到另一個(gè)單元的制造變化導(dǎo)致結(jié)的響應(yīng)差異。我們現(xiàn)在將討論該技術(shù)如何工作，如何與更傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行比較以及如何從中提取最佳性能。

解決方案

首先，對(duì)于在給定的電流水平下，二極管的絕對(duì)正向壓降在CPU制造過(guò)程中得不到很好的控制。此外，由于電壓取決于絕對(duì)（即開(kāi)爾文）溫度，因此正向電壓值比每1°C溫度變化的值變化大許多倍。因此，最重要的要求是在發(fā)生任何放大之前從等式中去除二極管電壓的絕對(duì)值。

單個(gè)器件校準(zhǔn)是一種選擇，但不是實(shí)用的。相反，使用與上述雙晶體管方法相當(dāng)?shù)募夹g(shù)，除了電流密度（每單位面積的電流）r的比率取決于改變同一二極管中的電流而不是使用兩個(gè)二極管的不同區(qū)域。電流相等。這種稱為“delta-V BE 校準(zhǔn)”的技術(shù)強(qiáng)制通過(guò)熱二極管結(jié)的兩個(gè)不同電平，并測(cè)量正向電壓的變化?？梢詫⒌谝浑娏饕暈樾?zhǔn)電流，并且確定結(jié)的V BE 正向電壓值。然后用第二電流再次測(cè)量V BE 值。 V BE 的變化或差異與絕對(duì)溫度成比例。它與結(jié)的正向電壓或由于制造變化引起的其他差異無(wú)關(guān)。

V BE = （kT / q） ln （Ic / 是）

由于 I S 是晶體管的屬性，對(duì)于任何一個(gè)電流都不變，

V BE1 - V BE2 =Δ V BE =（ kT / q ）ln（ I / NI ）=（ kT / q ）ln（1 / N ）

由于 N ， k 和 q 都是已知的常量，

T =（常數(shù)）（Δ V BE ）

Δ V 的輸出BE 傳感器的變化約為2.2 mV /°C。該信號(hào)需要調(diào)節(jié)和放大實(shí)際Δ V BE 傳感器顯示為襯底晶體管，因?yàn)閷?shí)際上這是片上結(jié)的情況。它同樣可以是分立晶體管。如果使用分立晶體管，則集電極不會(huì)接地，應(yīng)與基極連接。為防止接地噪聲干擾測(cè)量，傳感器的負(fù)極端子不以地為參考，而是通過(guò)D-輸入端的內(nèi)部二極管偏置到地面以上。要測(cè)量Δ V BE ，傳感器在 I 和 N × I的工作電流之間切換

濾波和放大

產(chǎn)生的波形通過(guò)65 kHz低通濾波器去除噪聲，然后通過(guò)斬波穩(wěn)定放大器，執(zhí)行放大和整流波形的功能產(chǎn)生與Δ V BE 成比例的直流電壓。該電壓由ADC測(cè)量，以8位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式提供溫度輸出。為了進(jìn)一步降低噪聲的影響，進(jìn)行了16次測(cè)量，結(jié)果取平均值，然后在輸出端提供平均結(jié)果。

那么TDM方法在實(shí)踐中有多好？

將TDM測(cè)量與更傳統(tǒng)的熱敏電阻方法進(jìn)行比較是很有意思的。以下示例將使用熱敏電阻和TDM通道獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，以測(cè)量插槽1盒中333 MHz Pentium ? II的溫度。熱敏電阻與盒式散熱器直接物理接觸。 TDM通道使用片上二極管和ADM1021（具有與上述類似的電路）來(lái)提供信號(hào)調(diào)理。

除了更準(zhǔn)確之外，它不會(huì)受到熱滯后的影響。雖然與散熱器的接觸優(yōu)于甚至沒(méi)有進(jìn)行接觸的早期方法，但它仍然表現(xiàn)出主要缺點(diǎn)。從圖4c中可以看出，熱敏電阻滯后完全錯(cuò)過(guò)了許多熱事件，因?yàn)樗捻憫?yīng)時(shí)間很慢。圖4a顯示了上電事件，而圖4b顯示了上電。超過(guò)30°C（代表墨盒溫度而不是實(shí)際芯片溫度）的誤差是顯而易見(jiàn)的。

更重要的是圖4c，其中CPU循環(huán)進(jìn)入和退出掛起模式。熱敏電阻完全錯(cuò)過(guò)了這些20°C的熱事件。很容易看出在由于故障情況導(dǎo)致溫度快速上升的情況下如何保護(hù)系統(tǒng)失敗。所有圖還顯示了隨著溫度升高TDM和熱敏電阻之間的偏移誤差（由于封裝溫度下降）。偏移可以通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)來(lái)處理，但是沒(méi)有人可以做任何補(bǔ)償熱滯后的事情。實(shí)際上，如果采用額外的系統(tǒng)冷卻，TDM和熱敏電阻之間的誤差仍會(huì)更大。

使用離散晶體管進(jìn)行TDM

因此，如果將傳感二極管集成到正在測(cè)量溫度的CPU的芯片上，則TDM方法非常有效。如何使用這種方法測(cè)量沒(méi)有片上TDM的溫度，或測(cè)量IC以外的熱源溫度？ Δ V BE TDM方法也可以與獨(dú)立的分立晶體管一起使用。任何NPN或PNP通用晶體管，例如2N3904或2N3906，都可以用作遠(yuǎn)程傳感器。使用分立晶體管，將基極連接到集電極，形成2端子器件。晶體管是良好的溫度傳感器，因?yàn)樗鼈兙哂休^低的熱質(zhì)量并且易于安裝。

如果晶體管傳感結(jié)距離很遠(yuǎn)（> 6英尺）并且在嘈雜的環(huán)境中使用，保護(hù)信號(hào)完整性和防止干擾的最佳方法是使用雙絞屏蔽電纜。最大電纜長(zhǎng)度受電纜電容和串聯(lián)電阻的限制。 D +和D-之間的電容會(huì)導(dǎo)致建立時(shí)間誤差，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換之前，開(kāi)關(guān)電流需要完全穩(wěn)定。

嘈雜環(huán)境中的TDM

在使用熱二極管感應(yīng)技術(shù)時(shí)，特別是在嘈雜的環(huán)境中，遵守一些指導(dǎo)是非常重要的。 PC環(huán)境本身就很嘈雜，并且隨著PC變得越來(lái)越快而越來(lái)越嘈雜。隨著CPU速度降至1 GHz，EMC噪聲變得更加令人頭痛。高速圖形端口（AGP），高速隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和高速磁盤訪問(wèn)意味著噪聲有很多機(jī)會(huì)和路徑耦合到敏感的模擬電路中。 TDM是一種非常敏感的方法。驅(qū)動(dòng)熱二極管的電路由高阻抗，低電平電流源組成。為了防止干擾，如果附近有高頻噪聲源，TDM線路應(yīng)盡可能短，并屏蔽。

ADM1021上的附加功能

除了ADM1021是TDM通道，包括一個(gè)用于本地或環(huán)境溫度監(jiān)控的片上晶體管?？?a target="_blank">編程轉(zhuǎn)換速率（從每16秒1次轉(zhuǎn)換到每秒8次轉(zhuǎn)換）有助于實(shí)現(xiàn)高更新速率，必須記錄快速溫度變化。如果不需要快速更新，則可以使用較低的更新速率來(lái)節(jié)省功耗。

ADM1021還包含四個(gè)限制寄存器，用于存儲(chǔ)本地和遠(yuǎn)程，高溫和低溫限制。功能框圖如圖7所示。使用ADM1021的典型系統(tǒng)配置如圖8所示。

TDM CPU監(jiān)控有助于實(shí)現(xiàn)最佳散熱

圖9顯示了真實(shí)筆記本電腦的散熱曲線。這顯示了芯片上的溫度如何升高監(jiān)控實(shí)用程序開(kāi)始運(yùn)行后（在開(kāi)機(jī)和Windows啟動(dòng)后）在計(jì)算機(jī)環(huán)境中。有趣的是要注意CPU和內(nèi)部環(huán)境的運(yùn)行速度。 BIOS將CPU溫度限制設(shè)置為92°C。達(dá)到此溫度后，風(fēng)扇將打開(kāi)并保持打開(kāi)狀態(tài)，直至溫度降至82°C以下。由于ADM1021均設(shè)置了上限和下限，因此風(fēng)扇可將CPU溫度控制在82°C至92°C之間。溫度將在這兩個(gè)水平之間振蕩。如果風(fēng)扇發(fā)生故障，溫度上限會(huì)在系統(tǒng)損壞時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)。值得注意的是，環(huán)境溫度也會(huì)達(dá)到非常高的溫度，比CPU溫度低大約10℃，在筆記本電腦外殼內(nèi)。

這個(gè)例子說(shuō)明了TDM技術(shù)在CPU溫度管理中的重要性。在采用這種技術(shù)之前，不可能通過(guò)持續(xù)冷卻系統(tǒng)來(lái)從CPU中提取如此高的性能水平而不會(huì)過(guò)熱或過(guò)度浪費(fèi)電池壽命。