寬測量范圍溫度敏感IC

2004年7月B版

　　外接的一只雙極型晶體管作為敏感元件的數字式“遠端放置”溫度傳感器，是多年以來(lái)人們倚重的、用以檢測高速、高性能芯片(如微處理器、圖形處理器和FPGA等)溫度的一種敏感器件。對于保證最佳性能和防止災難性事故而言，精確的溫度監控具有關(guān)鍵意義。溫度監測裝置協(xié)助系統對風(fēng)扇進(jìn)行控制并實(shí)現時(shí)鐘減速(clock throttling)功能，以便讓高性能IC的工作溫度保持在必要的范圍之內。溫度更高時(shí)，可以用它來(lái)關(guān)閉系統以防止出現故障。隨著(zhù)性能和功率水平的提高，遠程溫度監控功能變得越來(lái)越重要，其實(shí)現也越來(lái)越困難。

　　幾乎所有傳統數字溫度傳感器IC的上限都小于128℃，很多傳感器的極限都小于100℃。在許多情況下，傳統傳感器的極限已經(jīng)夠用了，但有時(shí)需要測量高達150℃的溫度，在這些情況下，需要采用寬測量范圍的溫度傳感器。

　　典型的數字式溫度傳感器IC以一個(gè)符號位和8個(gè)大小位來(lái)表示溫度，最低位表示的溫度為1℃，而最高位表示64℃。最高位為64℃的表示方法將最大的可測量溫度限制在128℃以下。

　　一個(gè)寬測量范圍溫度傳感器可以測量的量值應遠遠高出128℃這一極限——常常要達到150℃。采用權重為128℃的最高位是實(shí)現這一目標最方便的辦法，此時(shí)，溫度范圍被拓寬到255℃，遠遠超出了有用范圍。由于測量溫度的半導體結的特性限制，溫度在約150℃ 以上時(shí)測量精度會(huì )迅速降低。

　　對于電路板的溫度監測而言，127℃以上的溫度是不可能遇到的。但微處理器、圖形處理器或FPGA等高功率芯片的溫度監測需要更寬的測量范圍。

　　這些高功率IC的工作溫度高于通常的溫度范圍，故它們的監測需要溫度范圍更寬的傳感器。最大的工作溫度與時(shí)鐘速度、工藝、器件封裝和各種設計因素有關(guān)。信號的完整性常常會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而降低，最后直到電路不能保證其性能指標為止。在很多CPU和圖形處理器中，出現這一問(wèn)題的溫度大約為100℃，但在一些高性能電路中，正常的工作溫度范圍會(huì )擴展到145℃。由于芯片的最大絕對溫度接近工作范圍的上限，則進(jìn)行溫度監測、在必要時(shí)關(guān)閉系統以避免失效變得更為關(guān)鍵(圖1)。

　　在某些高性能處理器上，測溫二極管的物理特性會(huì )使測量到的溫度值發(fā)生偏差，換句話(huà)說(shuō)，測量出的溫度將大大高于實(shí)際溫度。在這種情況下，溫度傳感器需要測量出的表觀(guān)溫度遠遠高于正常的工作溫度范圍。

遠程溫度敏感原理

　　通過(guò)一個(gè)“遠程二極管”測量溫度最常見(jiàn)的方法是：讓兩路不同的電流流過(guò)二極管，一般其比例約為10:1。(該二極管并非是1N4001之類(lèi)的雙端器件，它實(shí)際上是一個(gè)連接成二極管形式的雙極型晶體管，雙引出端的二極管的理想因數并不適用于遠程二極管溫度傳感器)。該二極管對應于每個(gè)電流級的電壓值被測量出來(lái)，而溫度則根據如下方程求出：

　　該式中，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是二極管的理想因數，k是Boltzmann常數1.38x10-23J/o(K)，T是以oK為單位表示的溫度，q是一個(gè)電子的電荷量(1.60x10-19C)。如果IH/IL=10，上式可以簡(jiǎn)化為VH- V L = 1.986