工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設計挑戰和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠程傳感器IC①

第 2.2 節  高性能處理器模溫監測

簡(jiǎn)介

諸如中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU)、專(zhuān)用集 成電路 (ASIC) 和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 之類(lèi)的高性能處理器中的電源管理通常很復雜。通過(guò)溫度監測，這些系統不僅可以啟動(dòng)安全系統關(guān)閉程序，還可以利用溫度數據來(lái)動(dòng)態(tài)調整性能。

監測過(guò)程溫度可以提高系統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。

管芯溫度監測的設計注意事項

為了實(shí)現高效的溫度監測，高性能處理器有兩個(gè)設計注意事項：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)高精度的溫度監測，可以最大限度提高處理器性能，從而將系統推動(dòng)到其溫度設計極限。雖然大 多數集成電路都有內置的溫度傳感器，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，必須根據基準來(lái)調理處理器，從而調整相對于管芯溫度的系數。高性能處理器本身具有復雜的電路并會(huì )引起自發(fā)熱，因此會(huì )產(chǎn)生隨溫度增加的溫度誤差。如果設計的 系統具有較低精度和溫度誤差，系統的性能將無(wú)法在其溫度設計極限內達到最大化。

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測處理器的熱性能。在某些情況下，同時(shí)使用內部和外 部傳感器可以最大化系統性能并提高可靠性。

雙極結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型晶體管 (BJT)。BJT 具有取決于溫度且可預測性極高的傳遞函數。遠程溫度傳感器使用此原理來(lái)測量管芯溫度。在互補 金屬氧化物半導體工藝中最常見(jiàn)的 BJT 是 P 溝道 N 溝 道 P 溝道 (PNP)。圖 3 顯示了一個(gè)用于測量 PNP 晶體管 連接配置的遠程溫度監測電路。

由于晶圓和不同批次之間的差異引起的噪聲和誤差，設計遠程溫度監測系統的過(guò)程可能充滿(mǎn)挑戰。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 使用軟件校準方法來(lái)校正所需溫度范圍內的理想因 子變化。

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

? 噪聲注入。當二極管走線(xiàn)與承載高電流的高頻信號線(xiàn) 并行排布時(shí)，耦合到遠端印刷電路板走線(xiàn)中的電磁 干擾或電感可能導致誤差。這是遠程溫度傳感器最 重要的電路板設計注意事項之一。

? Beta 補償。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 補償的遠程溫度傳 感器專(zhuān)門(mén)設計用于與這些晶體管結合使用并校正與 它們相關(guān)的溫度測量誤差。與分立式晶體管一起使 用時(shí)，Beta 補償特性不會(huì )帶來(lái)任何好處。

器件建議

TMP421 提供單個(gè)通道來(lái)監測 BJT；也有多通道遠程溫 度傳感器支持多達八個(gè)通道，可在本地和遠程測量溫度。

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

外部溫度傳感器

雖然內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性能。當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，對于本地溫度傳感器，傳感器位 置是重要的設計注意事項。圖 4 顯示了放置本地溫度傳 感器的一些選項：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?。散熱器可以?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(cháng)的引線(xiàn)，而隨著(zhù)散熱器到微處理器之 間的導熱性能逐漸下降，傳感器數據將變得不正確。

? 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)境溫度對傳感器讀數的影響極小。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)設計具有遠程溫度傳感器和外部溫度監測功能的管芯溫度監測應用的其他資源，請參閱表 1。