本文主要針對新型數(shù)字式寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器的問世、特點及應(yīng)用作分折并與常規(guī)遠(yuǎn)程溫度傳感器作比較。 寬量程的溫度傳感器的問世 利用遠(yuǎn)程溫度傳感器監(jiān)測高性能微處理器和圖象處理器的管芯溫度現(xiàn)己成為—種很普通的技術(shù)，它用于系統(tǒng)的功率和熱量等工況的管理。隨著時鐘速度、電路密度和功率水平的提升，管芯工作溫度可能會超出常規(guī)溫度傳感器的量程限。新型溫度傳感器檢測范圍已超出舊式器件量程的溫度。本文就這種寬量程的溫度傳感器以及其理論和應(yīng)用作分折說明。 高速、高性能集成電路IC，如微處理器、圖象處理器和FPGA的管芯溫度監(jiān)測中，利用外部雙極型晶體管作為敏感元件的數(shù)字式遠(yuǎn)程溫度傳感器已得到廣泛的采用。在這些系統(tǒng)中，要獲取性能，同時又避免系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性故障，的溫度監(jiān)測是關(guān)鍵。系統(tǒng)根據(jù)溫度監(jiān)視群的測量結(jié)果執(zhí)行風(fēng)扇控制和時鐘扼制等功能，保持高性能IC工作在安全溫度范圍以內(nèi)。在更高溫度時，還可用它來關(guān)斷系統(tǒng)以免發(fā)生故障。隨著性能和功率水平的提升，則遠(yuǎn)程溫度監(jiān)視功能變得更加重要，但也更難實現(xiàn)。 實際上，所有的常規(guī)數(shù)字溫度傳感器IC的測溫上限均小于128℃，很多被限制在100℃以內(nèi)。很多情況下，這個常規(guī)測溫范圍是足夠的。然而，有些時候測量高達(dá)150℃的溫度非常重要。在此情況下，就需要寬量程的溫度傳感器了。 寬量程的溫度傳感器擴(kuò)展測量溫度 典型數(shù)字溫度傳感器IC用一個符號位和七個數(shù)值位表示溫度，一個LSB(有效位)對應(yīng)于1℃，一個MSB(有效位)對應(yīng)于64℃。盡管有些數(shù)字傳感器有更多位來表示更高分辨率的溫度，但64℃的MSB將測量溫度限制在128℃以內(nèi)。 寬量程的溫度傳感器能夠測量的溫度遠(yuǎn)高于這個128℃，通常可達(dá)150℃。實現(xiàn)這一任務(wù)方便的方法就是將MSB的權(quán)重設(shè)置為128℃。這種情況下，溫度數(shù)據(jù)的范圍將擴(kuò)展全255℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可用范圍，因為不大可能遭遇127℃以上的溫度。由于用來測溫的半導(dǎo)體結(jié)的局限性，在所測溫度超過約150℃時下降很快。 一些大功率芯片的工作溫度依賴于時鐘速度、工藝、器件封裝和其它各種設(shè)計因素。通常，信號的完整性隨著溫度的升高而變差，直至電路不再滿足規(guī)范要求，在許多CPU和圖象處理器中，這種情況發(fā)生在100℃左右，但在—些高性能電路中，正常工作條件可延伸至145℃。如果器件在更寬的溫度范圍內(nèi)仍能正常工作，為保證其工作在安全范圍內(nèi)，的溫度測量非常重要。由于此溫度范圍的上限已接近晶片的極限溫度條件，為避免器件失效和由此而導(dǎo)致的系統(tǒng)關(guān)斷，溫度監(jiān)視就更加關(guān)系重大，見圖1所示。從圖1寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器能夠監(jiān)視高性能器件的整個工作范圍中可以看出，它與常規(guī)典型的溫度傳感器檢測工作范圍之區(qū)別，即當(dāng)被測器件溫度在127℃-150℃范圍時，則常規(guī)典型的溫度傳感器己無法檢測數(shù)據(jù)，而寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器仍能檢測數(shù)據(jù)。 在—些高性能處理器中，由于熱敏二極管的物理機(jī)制，所測溫度中有一個“偏移”。也就是說，所測得的溫度將比實際溫度高出許多。在這種情況下，溫度傳感器需要測量比正常工作范圍高得多的“視在”溫度。盡管所測得的溫度為150℃或更高，二極管的真實溫度可能仍然在處理器的正常工作溫度范圍內(nèi)。 遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測的基本原理 為此先說明一下遠(yuǎn)程傳感器基本原理。 遠(yuǎn)程傳感器可測量遠(yuǎn)端的PN結(jié)(或稱熱二極管)溫度，遠(yuǎn)端結(jié)(熱二極管)可以是一個分立的晶體管(見圖2左邊框內(nèi)所或是高功率IC的—部分，例如高速微處理器(uP)。這種方法可以直接測量IC管芯的溫度，后者可能在一些非常情況下出現(xiàn)散熱問題，如氣流被阻斷。遠(yuǎn)端結(jié)溫傳感器在很多系統(tǒng)中被用此種目的。它們采用兩種不同電流驅(qū)動敏感結(jié)，并測量兩種情況下的電壓。而兩種電流所產(chǎn)生的正向壓降之差正比于敏感結(jié)的溫度。 利用遠(yuǎn)程感溫二極管，(圖2中MAX6646器件引腳DXP與DXN為遠(yuǎn)程感溫二極管的“+”極與“-”極引線)測量溫度的普通的辦法，是以兩種不同的電流驅(qū)動二極管，一般電流比為10：1(這個二極管并不是象IN4001那樣的兩引線器件，而是一個連接為二極管方式的雙極型晶體管。兩引線二極管的理想因子與遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器不兼容)，測出二極管在兩種不同電流水平下的電壓，然后由下式可計算出溫度： 其中： IH：較高的二極管偏置電流 IL：較低的二極管偏置電流 VH:IH產(chǎn)生的二極管電壓 VL:IL產(chǎn)生的二極管電壓 n：二極管的理想因子 K：玻耳茲曼常數(shù)( ) T：溫度(ºK) q：一個電子的電量 則上式可簡化為： 其中“n”稱為理想因子，與工藝有關(guān)。對絕大多數(shù)晶體管，其值十分接近1.0。例如，Pentium~III微處理器的理想因子約為1.008，而Pentium IV微處理器約為1.002。遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器產(chǎn)生有比率關(guān)系的兩種電流，測量所產(chǎn)生的電壓，然后對所測電壓通過比例調(diào)整和電平轉(zhuǎn)移得到溫度數(shù)據(jù)。內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)必須在存有相當(dāng)高共模的條件下測量小電壓；l℃的溫度變化量對應(yīng)于大約200µV。 寬量程的溫度傳感器與常規(guī)傳感器類似，但內(nèi)置ADC的輸入電壓范圍稍大一些，以適應(yīng)高，低兩種電流所產(chǎn)生的更大的電壓差。另外，溫度數(shù)據(jù)的組織方式也不同。Maxim公司的寬量程溫度傳感器增加了—個更高權(quán)重的有效位(MSB)，以便測量128℃以上的溫度，通常是將符號位替換為更高的MSB。 要生產(chǎn)可靠，、寬量程的遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器，還需要具備精密的生產(chǎn)測試技術(shù)，以對傳感器進(jìn)行精細(xì)調(diào)整和驗證其。Maxim公司具有專用的熱管理測試系統(tǒng)能測量傳感器與熱二極管的溫度，并對傳感器的內(nèi)部電路進(jìn)行微調(diào)，實現(xiàn)高。 對系統(tǒng)設(shè)計人員而言，另一個所關(guān)心的是遠(yuǎn)端結(jié)溫傳感器和目標(biāo)結(jié)(被測PN結(jié))的可能距離。有很多的因素影響這個距離，因而一個簡單的數(shù)字是毫無意義的。在沒有電噪聲的環(huán)境中，假定連線電阻小于1到2歐姆，遠(yuǎn)端結(jié)可以距離傳感器相當(dāng)遠(yuǎn)(達(dá)1米)，隨著EMl的增加，連線長度必須減小。大多數(shù)遠(yuǎn)端結(jié)傳感器具有良好的噪聲抑制能力，但當(dāng)連線上拾取的噪聲大到足以影響正向結(jié)壓的測量時，將會給測量帶來誤差。高速系統(tǒng)中謹(jǐn)慎的做法是將連線長度限制在數(shù)英寸以內(nèi)。 能夠測量150℃的遠(yuǎn)程溫度傳感器 Maxim公司的個寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器是MAX6627，于2001年推出。MAX6627不同于其它遠(yuǎn)程溫度傳感器的獨特之處是它采用三線(時鐘、串行數(shù)據(jù)翰出和片選)數(shù)字接口。它采用小巧的8引腳SOT-23封裝，使其可以緊靠關(guān)鍵元件放置。 2003年，Maxim又推出了MAX6646／MAX6647／MAX6649，這三款寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器具有兩線12CTM/SMBusTM，即I2C總線(Inter-IC Bµs)兼容接口，特別適合于臺式機(jī)、筆記本和服務(wù)器等應(yīng)用。這些傳感器在上至145℃的測量范圍內(nèi)具備1℃的(見圖2)，是目前的遠(yuǎn)程溫度傳感器。圖2為用MAX6649量程遠(yuǎn)程溫度傳感器檢測CPU或圖形處理器上熱二極管(PN結(jié))的溫度，60℃至145℃范圍內(nèi)要求達(dá)1℃，要求稍微降低一些，還可檢測高達(dá)150℃的溫度。MAX6646／MAX6647／MAX6649它們與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件MAX6692引腳兼容，并且寄存器也是兼容的。而在128℃以上，溫度數(shù)據(jù)寄存器有一個附加的數(shù)據(jù)位可用于更高溫度的測量。這些傳感器還具有一些其他功能，例如指示過熱和低溫狀態(tài)的熱比較器輸出，這些功能在高性能IC的監(jiān)視與保護(hù)方面非常有用。 另外一個2003年推出的新型寬量程溫度傳感器是MAX6642(見圖3)，它是當(dāng)前的、具有SMBus(SMBus是intel corporation的一個商標(biāo))接口的寬量程溫度傳感器。它被封裝于6引腳TDFN，占位面積3mm×3mm，厚度僅0.8mxn。在60℃至100℃范圍內(nèi)保證優(yōu)于±3.5℃。 結(jié)語 寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器是市場上的新面孔，目前及未來的多種系統(tǒng)對于它們的需求是清晰可見的。目前正致力于提供業(yè)界的寬量程傳感器，并將繼續(xù)推出創(chuàng)新性的，與系統(tǒng)需求保持同步的寬量程產(chǎn)品。