magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

farnell lidA fejlett, többmagos, egylapkás rendszer (SoC, system on chip) és a programozható eszközök által termelt hő az elektronikai tervezés egyik fő problémájává vált. Bár az ilyen integrált áramkörök működtetéséhez szükséges feszültségek 1 V alá csökkentek, az eszközök csúcsáramigénye továbbra is magas, amikor a bennük található processzoroknak teljes sebességgel kell működniük.

 

Egy adott SoC-on belül a teljesítményveszteség jelentősen eltérhet, mivel különböző magok aktiválódnak, vagy a számítási igény idővel változik. Egy adott SoC a szoftver terhelésének növekedésével mindössze néhány másodperc alatt viszonylag hidegről forróra melegedhet fel. Hosszú ideig csúcsárammal üzemeltetve a helyi chiphőmérséklet olyan értékre nőhet, amely túlmelegedés miatti leállást okozhat, vagy befolyásolhatja a közeli alkatrészek teljesítményét és megbízhatóságát.
Az érzékeny alkatrészek chiphőmérsékletének felügyelésével a rendszer elkerülheti a melegedés okozta problémákat a hűtőventilátorok forgási sebességének növelésével vagy az órajel csökkentésével, redukálva ezzel a túlmelegedő alkatrész hőmérsékletét. Ennek eredményeként a pontos hőmérséklet-felügyelet elengedhetetlen a fejlett SoC és felhasználó által programozható FPGA eszközöket tartalmazó rendszerekben. A chipre szerelt szondák jelentik a legpontosabb megoldást a kritikus magokhoz közeli hőmérsékleti viszonyok meghatározására.

 

farnell 1

1. ábra

 

Chipre szerelt hőmérséklet-érzékelők

A chipre szerelt hőmérséklet-érzékelők a félvezető PN-átmenetek jellemzőit használják fel. Egy adott terület PN-átmenetei esetében a csatlakozáson keresztül létrejövő feszültségnek az aktuális áramlásától és hőmérsékletétől függő, jellemző értéke van. A hőmérséklet-érzékenység a félvezető termikusan generált hordozóinak köszönhető. Ha az áram állandó, a feszültség minden változása a hőmérséklet változásának tulajdonítható. A félvezetőkben az átmenetek feszültsége jellemzően a hőmérséklettel csökken. Azonban ha egymás után két különböző áramerősségszintet alkalmazunk, és a feszültségkülönbséget mindkét alkalommal megmérjük, a két leolvasás között kis feszültségkülönbséget fogunk észlelni. Az abszolút hőmérséklet növekedése egy közel lineáris viszonyban nagyobb különbséghez vezet, ami megbízható alapot ad a félvezető hőmérséklet-érzékelőkben való használatához.
A megfelelő PN-átmenetek a komplex SoC-ok felépítéséhez használt, modern CMOS-folyamatoknál könnyen létrehozhatók. A termikus szonda általában egy bipoláris tranzisztor, amelynek a bázis-emitter átmenete képezi a kívánt diódát, a kollektor pedig az eszköz hordozójához csatlakozik.

 

A rendszerszintű hőkezelés szükségessége

Bár sok alkatrész, különösen a programozható eszközök képesek saját hőmérséklet-felügyeletre, a hőmérsékleti problémákat gyakran rendszerszinten kell megoldani. Például a készülékház-ventilátorok sebességének szabályozása a rendszer összes alkatrészének hűtésén változtat. A rendszerszintű szabályozás megvalósításához több eszköz chiphőmérsékletét távolról kell felügyelni.
Elviekben egyszerűen felépíthető egy SoC teljes hőmérséklet-érzékelője minden hőmérséklet-ellenőrzést igénylő terület esetében. A méréshez a szondát a kérdéses áramkör közelében helyezik fel, amelyet ezután felváltva két különböző nagyságú áramforrásra kapcsolnak. Az áramforrásból származó két feszültségmérést ezután egy analóg-digitális konverter (ADC) és a hozzá kapcsolódó logika végzi, amely kiszámítja a becsült hőmérsékletet. (1. ábra) A gyakorlatban számos rendszertervező úgy dönt, hogy távoli hőmérséklet-érzékelőket alkalmaz, mivel ezek nagyobb megbízhatóságot és pontosságot biztosítanak. Teljes egészében SoC-ot használva a termikus szondánként két áramforrás alkalmazása megköveteli a gyártótól, hogy pontosan illeszkedjen az eszközökhöz, ami néhány digitális folyamatnál nehézséget okoz. Az áramforrások precíziós, kevert jelű folyamattal előállított chipen történő kialakításával sokkal nagyobb mérési megbízhatóság érhető el. Ezenfelül a SoC-on kevesebb csatlakozóra van szükség, mivel egy megfigyelt területhez csak egy tranzisztorral kell kapcsolatot létesíteni, nem pedig kettővel.
A távoli hőmérséklet-érzékelők másodlagos előnye, hogy lehetővé teszik, hogy egyetlen IC-vel egynél több hőtorlódási helyet figyeljenek meg, illetve automatikus riasztásokat állítsanak be. Egy egyedülálló alap-távérzékelő, például a MAX6642, két hőmérsékletet is képes felügyelni: a saját hőmérsékletét, valamint egy közeli SoC vagy FPGA hőmérsékletét. Más távérzékelők három vagy több külső hőmérsékletet figyelnek. A MAX31730 például felügyelheti saját belső és három külső szonda hőmérsékletét.
Ha bármelyik bemenet hőmérséklete túllép egy programozható küszöböt, akkor az eszköz módosítja az állapotot, és egy kijelölt regiszterbe elmenti a legmelegebb csatorna hőmérsékletét.
A MAX31730 SMbus segítségével továbbít információkat a rendszervezérlőhöz. (2. ábra)
Több bemenet figyeléséhez a tervező olyan eszközt is választhat, mint a MAX6681, amely hét távoli diódabemenettel rendelkezik. Ez egy integrált termikus diódás FPGA-párnak, diszkrét diódához kapcsolt tranzisztorokkal rendelkező négy kártya hőtorlódási helyének és a MAX6681 helyénél lévő kártya hőmérsékletének felügyeletére használható. Egy további lehetőség akár nyolc MAX31730 eszköz telepítése slave-ként az SMbus-on.

 

farnell 2

2. ábra

 

Pontosság biztosítása a chiphőmérséklet felügyelete során

Bár a rendszertervezés során a távoli hőmérséklet-érzékelős megközelítésnek számos előnye van, vannak hibái és pontatlanságai is, amelyeket a mérnöki csapatnak figyelembe kell vennie.
Valamilyen fajta parazita soros ellenállás minden áramkörben elkerülhetetlen, és kompenzálatlan használat esetén befolyással van az érzékelő által mért hőmérsékletre. Vegyünk egy beállítást, ahol az első kiválasztott előfeszítő áram 100 µA, a második pedig 10 µA. A kettő közötti feszültségkülönbség az első áramerősség és a második áramerősség hányadosának természetes logaritmusával arányos. Az abszolútérték ez a logaritmikus érték lesz egy ideális konstanssal szorozva, amely normál esetben egy 1-hez és kT/q-hoz közeli érték, ahol a „k” a Boltzmann-állandó, a „q” pedig az elektron töltése. Ha a soros ellenállás 1 Ω, a magasabb áramforrás feszültségesése 100 µV, a másodiké pedig 10 µV a kapott, mért hőmérséklet-eltérés 0,45 °C.
Ha a soros ellenállás ismert, és kiszámítható tipikus NYÁK-nyomvonali ellenállásokkal, akkor korrigálható a hőmérséklet-eltolódás. Egyes érzékelők, mint például a MAX31730 és a Maxim más gyártmányai automatikusan kiküszöbölik az ellenállást szükségtelenné téve ezzel a parazita hibaforrásnak a kompenzálását.
Bár az elméleti tényező általában közel 1,01, pontos értéke azonban a folyamattól és a tranzisztor kialakításától függ, ezért potenciális hibaforrást jelenthet. A legtöbb távérzékelőt az adott elméleti tényezőre optimalizálják. A Maxim több, 1,008 értékű eszközt is kínál, amelyeket jellemzően fejlett folyamatokban, például FPGA-kban és SoC-okban használnak. Eltérő elméleti tényezőjű eszköz esetén a korrekció a rendszervezérlő firmware-ben viszonylag egyszerűen végrehajtható.
További hibaforrások lehetnek a SoC alapú termikus szondák alacsony áramerősítési tényezőjű/béta tranzisztorai. Ha a tranzisztor áramerősítése nagyon alacsony, a kollektoráramok aránya előfordul, hogy nem egyezik az emitteráramok arányával, ami a hőmérséklet kiszámításában hibát okoz. A kollektoráram-arány 10%-os változása körülbelül 12 °C-os hőmérséklet-eltérést okozhat.
Ez általában a távoli hőmérséklet-érzékelő cél IC-k számára nem jelent problémát, mivel nagy áramerősítésű tranzisztorokat használnak. Azonban a SoC-tranzisztorokat a bipoláris tranzisztorok helyett MOS-ra optimalizált eljárásokkal állítják elő, ami nem tudja garantálni a nagy erősítést ezeknél az eszközöknél. Ilyen tranzisztorok alkalmazása esetén jobb megoldás lehet béta-kompenzációs távérzékelő IC-t használni, bár ez nem mindig szükséges. (3. ábra)

 

farnell 3

3. ábra


Ha a béta viszonylag egységes az áramok és hőmérsékletek várható tartományában, a hatás elég kicsi lehet ahhoz, hogy figyelmen kívül hagyható legyen. Például egy 45 nm-es felbontással készült mikroprocesszor három mintájának tesztelésekor, amelynek a bipoláris tranzisztorra számított béta értéke 0,3, a kapott hiba kisebb, mint ±1 °C. Azonban ahol az alacsony béta jó eséllyel eredményez nagyobb hibákat, béta-kompenzációs távérzékelők, pl. Maxim MAX31730, MAX6693 vagy MAX6581 alkalmazhatók.
A Maxim különböző jellegű távoli hőmérsékletmérésekhez készült termékeinek köszönhetően a rendszertervezők olyan hővezérléseket alakíthatnak ki, amelyek a termékek valódi hőmérsékleti helyzetét tükrözik. Az eredmény nagyobb megbízhatóság, hosszabb termékélettartam és a túlmelegedés miatti leállás kisebb kockázata.

 

Szerző: Kim Majkowski, globális termékmenedzser – Farnell energiamenedzsment IC-k

 

Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: tech-hu@farnell.com
http://hu.farnell.com
www.element14.com